CN108367244B - 渗透脱盐方法和相关系统 - Google Patents

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Abstract

本文提供了渗透脱盐方法和相关系统。根据某些实施方案，可使用多个渗透膜进行一系列渗透步骤，从而产生与含水进料流的水纯度相比具有相对高的水纯度的输出流。在一些实施方案中，可使用多个抽吸流来产生具有依次更高的水纯度的含水产物流。某些实施方案涉及渗透脱盐系统和方法，其中使用正渗透产生相对于含水进料流具有相对高的水纯度的第一产物流，并且使用反渗透对第一产物流进行第二步骤(和/或额外步骤)。在一些实施方案中，可以连续使用多个反渗透步骤以进行净脱盐过程。

Description

渗透脱盐方法和相关系统
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2015年7月29日提交的题为“OsmoticDesalination Methods and Associated Systems”的美国临时专利申请序列No.62/198,413的优先权，其出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
一般性地描述了渗透脱盐方法和相关系统。
背景技术
已经使用选择性地可渗透溶剂(例如，水)但不可渗透溶解离子(例如，Na+、Cl-)的膜来使含水进料溶液脱盐。在一种这样的脱盐过程(通常称为正渗透(forward osmosis))中，在膜的渗透物侧使用渗透压高于进料溶液之渗透压的溶液，使水从进料溶液运输穿过半透膜。正渗透过程中用于分离的驱动力是透过半渗透膜的渗透压梯度；由于膜一侧的抽吸溶液(draw solution)具有比膜另一侧的进料溶液更高的渗透压，所以水穿过半透膜从进料溶液抽吸到抽吸溶液以平衡进料和抽吸溶液的渗透压。
另一种基于膜的脱盐类型是反渗透脱盐(reverse osmosis desalination)。与正渗透相反，反渗透过程使用施加的液压作为分离的驱动力。施加的液压用于抵消渗透压梯度，否则渗透压梯度将有利于水从低渗透压流到高渗透压。
迄今为止，基于膜的脱盐系统受到例如低效率的限制，并且通常限于处理相对较低盐度的水。期望得到用于进行基于膜的脱盐的改进的系统和方法。
发明内容
公开了用于渗透脱盐的系统和方法。某些实施方案涉及使用正渗透和反渗透的组合来产生相对于含水进料流的水纯度具有相对高的水纯度的流。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。
某些实施方案涉及方法，例如进行渗透的方法。根据一些实施方案，所述方法包括：运输含有混悬和/或乳化的不混溶相和浓度为至少约60,000ppm的溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧；以及运输第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的第二侧，所述第一抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压，以使得水从所述含水进料流穿过所述第一渗透膜运输到所述第一抽吸入口流，以产生具有比所述第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高溶解离子浓度的浓缩含水流。一些这样的实施方案包括引导所述含水进料流经过所述第一渗透膜和/或所述第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内：进入所述第一渗透膜的所述第一抽吸入口流的质量流速与进入所述第一渗透膜的所述含水进料流的质量流速的比率，以及进入所述第一渗透膜的所述含水进料流的渗透压和跨越所述第一渗透膜的入口压差之间的差与进入所述第一渗透膜的所述第一抽吸入口流的渗透压和跨越所述第一渗透膜的入口压差之和的比率。一些这样的实施方案包括从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧；以及向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流。一些这样的实施方案包括引导所述第一抽吸产物流经过所述第二渗透膜和/或所述第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内：进入所述第二渗透膜的所述第二抽吸入口流的质量流速与进入所述第二渗透膜的所述第一抽吸产物流的质量流速的比率，以及进入所述第二渗透膜的所述第一抽吸产物流的渗透压和跨越所述第二渗透膜的入口压差之间的差与进入所述第二渗透膜的所述第二抽吸入口流的渗透压和跨越所述第二渗透膜的入口压差之和的比率。
某些实施方案包括运输含有混悬和/或乳化的不混溶相和浓度为至少约60,000ppm的溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧；以及运输第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的第二侧，所述第一抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压，以使得水从所述含水进料流穿过所述第一渗透膜运输到所述第一抽吸入口流，以产生具有比所述第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高溶解离子浓度的浓缩含水流。一些这样的实施方案包括引导所述含水进料流经过所述第一渗透膜和/或所述第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的运输，以使得对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。一些这样的实施方案包括从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧。一些这样的实施方案包括向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流；以及引导所述第一抽吸产物流经过所述第二渗透膜和/或所述第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的运输，以使得对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。
根据某些实施方案，所述方法包括运输含有混悬和/或乳化的不混溶相和浓度为至少约60,000ppm的溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧；运输第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的第二侧，所述第一抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压，以使得水从所述含水进料流穿过所述第一渗透膜运输到所述第一抽吸入口流，以产生具有比所述第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高溶解离子浓度的浓缩含水流；以及引导所述含水进料流经过所述第一渗透膜和/或所述第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的运输，以使得对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力彼此相差至少约10％。一些这样的实施方案包括测量所述含水进料流和/或所述第一抽吸入口流的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种；以及改变所述含水进料流的流速和所述第一抽吸入口流的流速中的至少一种，以使得对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。一些这样的实施方案包括从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧；向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流；以及引导所述第一抽吸产物流经过所述第二渗透膜和/或所述第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的运输，以使得对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力彼此相差至少约10％。一些这样的实施方案包括测量所述第一抽吸产物流和/或所述第二抽吸入口流的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种；以及改变所述第一抽吸产物流的流速和所述第二抽吸入口流的流速中的至少一种，以使得对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。
根据某些实施方案，所述方法包括运输含有混悬和/或乳化的不混溶相和浓度为至少约60,000ppm的溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧；运输第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的第二侧，所述第一抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压，以使得水从所述含水进料流穿过所述第一渗透膜运输到所述第一抽吸入口流，以产生具有比所述第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高溶解离子浓度的浓缩含水流；从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧；以及向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流。在一些这样的实施方案中，操作所述第一渗透膜，以使得：
Figure BDA0001612473100000041
其中PF1是对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处的液压；mF1，i是对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处所述含水进料流的质量流速；πF1，i是对于所述第一渗透膜在所述含水进料流的入口处所述含水进料流的渗透压；PD1是对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处的液压；mD1，i是对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处所述第一抽吸入口流的质量流速；πDl，i是对于所述第一渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处所述第一抽吸入口流的渗透压；并且C1为约0.8至约1.2；以及操作所述第二渗透膜，以使得：
Figure BDA0001612473100000051
其中PF2是对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处的液压；mF2，i是对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处所述第一抽吸产物流的质量流速；πF2，i是对于所述第二渗透膜在所述第一抽吸产物流的入口处所述第一抽吸产物流的渗透压；PD2是对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处的液压；mD2，i是对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处所述第二抽吸入口流的质量流速；πD2，i是对于所述第二渗透膜在所述第二抽吸入口流的入口处所述第二抽吸入口流的渗透压；并且C2为约0.8至约1.2。
在一些实施方案中，所述方法包括运输包含溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧；运输第一抽吸入口流经过所述第一渗透膜的第二侧，所述第一抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压，以使得水从所述含水进料流穿过所述第一渗透膜运输到所述第一抽吸入口流，以产生具有比所述第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高溶解离子浓度的浓缩含水流；从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧；以及向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流。
根据某些实施方案，所述方法包括运输含水进料流经过渗透膜的第一侧；以及运输抽吸入口流经过所述渗透膜的第二侧，以使得水从所述含水进料流穿过所述渗透膜运输到所述抽吸入口流，以产生具有比所述抽吸入口流更低渗透压的抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高渗透压的浓缩含水流；其中操作所述渗透膜，以使得：
Figure BDA0001612473100000061
其中PF是对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处的液压；mF，i是对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处所述含水进料流的质量流速；πF1，i是对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处所述含水进料流的渗透压；PD是对于所述渗透膜在所述抽吸入口流的入口处的液压；mD，i是对于所述渗透膜在所述抽吸入口流的入口处所述抽吸入口流的质量流速；πD，i是对于所述渗透膜在所述抽吸入口流的入口处所述抽吸入口流的渗透压；并且C为约0.8至约1.2。
根据某些实施方案，所述方法包括运输含水进料流经过渗透膜的第一侧；运输抽吸入口流经过所述渗透膜的第二侧，以使得水从所述含水进料流穿过所述渗透膜运输到所述抽吸入口流，以产生具有比所述抽吸入口流更低渗透压的抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高渗透压的浓缩含水流；以及引导所述含水进料流经过所述渗透膜和/或所述抽吸入口流经过所述渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内：进入所述渗透膜的所述抽吸入口流的质量流速与进入所述渗透膜的所述含水进料流的质量流速的比率，以及进入所述渗透膜的所述含水进料流的渗透压和跨越所述渗透膜的入口压差之间的差与进入所述渗透膜的所述抽吸入口流的渗透压和跨越所述渗透膜的入口压差之和的比率。
根据一些实施方案，所述方法包括运输含水进料流经过渗透膜的第一侧；运输抽吸入口流经过所述渗透膜的第二侧，以使得水从所述含水进料流穿过所述渗透膜运输到所述抽吸入口流，以产生具有比所述抽吸入口流更低渗透压的抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高渗透压的浓缩含水流；以及引导所述含水进料流经过所述渗透膜和/或所述抽吸入口流经过所述渗透膜的运输，以使得对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述渗透膜在所述抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。
根据某些实施方案，所述方法包括运输含水进料流经过渗透膜的第一侧；运输抽吸入口流经过所述渗透膜的第二侧，以使得水从所述含水进料流穿过所述渗透膜运输到所述抽吸入口流，以产生具有比所述抽吸入口流更低渗透压的抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高渗透压的浓缩含水流；引导所述含水进料流经过所述渗透膜和/或所述抽吸入口流经过所述渗透膜的运输，以使得对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述渗透膜在所述抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力彼此相差至少约10％；测量所述含水进料流和/或所述抽吸入口流的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种；以及改变所述含水进料流的流速和所述抽吸入口流的流速中的至少一种，以使得对于所述渗透膜在所述含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于所述渗透膜在所述第一抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下对本发明的多个非限制性实施方案的详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括矛盾和/或不一致的公开内容的情况下，以本说明书为准。
附图说明
将参照附图以示例的方式描述本发明的非限制性实施方案，附图是示意性的而未旨在按比例绘制。在附图中，示出的每个相同或几乎相同的部件通常由单个附图标记表示。为了清楚起见，并未标记出每个附图中的每个部件，并且在示出对于本领域技术人员理解本发明来说不必要的情况下，并未示出本发明的每个实施方案的每个部件。在图中：
图1A是根据某些实施方案的渗透膜分离器的示意图；
图1B是图1A所示的渗透膜分离器的截面图；
图1C是根据一些实施方案的渗透膜的前面、顶部、右侧透视图；
图1D是图1C所示的示例性渗透膜的前面、底部、右侧透视图；
图2A是根据某些实施方案的示例性渗透脱盐系统的示意图；
图2B是根据一些实施方案的渗透脱盐系统的示意图；
图3A是根据某些实施方案的示例性渗透脱盐系统的示意图，所述渗透脱盐系统包括与一系列反渗透分离器耦合的正渗透分离器；
图3B是根据一些实施方案的示例性渗透脱盐系统的示意图，所述渗透脱盐系统包括与一系列反渗透分离器耦合的正渗透分离器，并包括能量回收设备；
图4A是根据一组实施方案举例说明渗透分离器的操作的示意图；以及
图4B是根据一个实施方案的作为渗透膜上的位置的函数的渗透压的示例性图。
详述
本文公开了渗透脱盐方法和相关系统。根据某些实施方案，可使用多个渗透膜分离器来执行一系列渗透步骤，从而产生与含水进料流的水纯度相比具有相对高的水纯度的输出流。在一些实施方案中，可使用多个抽吸流来产生具有依次更高的水纯度的含水产物流。
某些实施方案涉及渗透脱盐系统和方法，其中使用正渗透来产生相对于含水进料流具有相对高的水纯度的第一产物流，并且使用反渗透对第一产物流进行第二步骤(和/或另外的步骤)。使用正渗透作为起始步骤(其通常不容易结垢)可允许使下游反渗透过程免于导致结垢的污染物。根据某些实施方案，相对于例如热脱盐过程(如热蒸发/蒸馏)，在随后的下游步骤中使用反渗透还允许利用反渗透的低能量消耗。根据某些实施方案，以这种方式使用正渗透和反渗透步骤的组合可以产生低能量、低结垢的脱盐系统，其产生相对于含水进料流具有高水纯度(和低盐度)的产物流。
在一些实施方案中，多个反渗透步骤可以连续用作系统的一部分，以进行净脱盐(即，产生与入口含水流中的水纯度相比具有相对高的水纯度的产物流)。在一些这样的实施方案中，不是通过使用单个膜来获得相对高的水纯度，而是可以进行多个步骤，每个步骤都实现相对纯度的较小的提高，以产生与含水进料流相比含有更高水纯度的最终产品。例如，当对具有非常高的渗透压(例如，60巴或更高的渗透压)的含水进料流进行脱盐时，这样的配置可能是有用的。作为示例性的非限制性说明，如果希望使用单一渗透膜对渗透压为60巴的含水进料流进行脱盐，则需要使用能够承受非常高的液压(例如，高于60巴)的机械强韧(mechanically robust)的渗透膜。这种膜通常制造困难且昂贵。某些实施方案利用了这样的认识：使用多个反渗透膜，每个使用相对较低的液压梯度进行操作，可用于执行逐步过程，其中每个反渗透步骤逐渐提高水的纯度，直到实现了期望的最终水纯度水平。
某些实施方案涉及其中采用策略来降低渗透脱盐系统中的能量消耗的系统和方法。根据某些实施方案，可以操作渗透脱盐膜，以使得跨膜净驱动力(即经过膜的厚度的净驱动力)在膜整个表面区域上相对均匀。根据某些实施方案，这种均匀性可降低或消除沿着渗透膜的不必要的过压(over-pressurization)，这又可以降低或消除系统操作期间浪费的能量。
如下面更详细描述的，本文所述的某些系统和方法可用于处理多种含水进料流，包括但不限于来自海水、地下水、苦咸水和/或化学过程流出物的流。在某些实施方案中，含水进料流包含相对大量的溶解离子，例如浓度为至少约60,000ppm。在某些实施方案中，除了水中的溶解离子外，含水进料还包含与水不混溶的混悬和/或乳化相(例如油和/或油脂)。
某些实施方案涉及使用基于渗透膜的系统进行脱盐。图1A是说明使用渗透膜分离器对含水进料流进行脱盐的示例性示意图。图1B是图1A所示的示意图的截面图。
在图1A至1B中，渗透膜102可用于将水从第一侧104运输到第二侧106。在一些情况下，这可导致含水进料流108内的水与含水进料流108内的溶解离子(或其他溶解物)的至少部分分离。可运输含水进料流108经过渗透膜102的第一侧104，例如在图1B中的箭头103的方向。在一些实施方案中，运输抽吸入口流110经过渗透膜102的第二侧106，例如在图1B中的箭头105的方向。
根据某些实施方案，可通过跨膜净驱动力(即，穿过膜厚度的净驱动力)实现水穿过渗透膜的运输。通常，跨膜净驱动力(Δχ)表示为：
Δχ＝ΔP-ΔΠ＝(P1-P2)-(Π1-Π2) [1]
其中P1是渗透膜的第一(渗余物(retentate))侧的液压，P2是渗透膜的第二(渗透物(permeate))侧的液压，Π1是渗透膜的第一(渗余物)侧的流的渗透压，Π2是渗透膜的第二(渗透物)侧的流的渗透压。(P1-P2)可称为跨膜液压梯度，并且(П1-Π2)可称为跨膜渗透压梯度。
本领域普通技术人员熟悉渗透压的概念。特定液体的渗透压是液体的固有特性。渗透压可以以多种方式确定，最有效的方法取决于所分析的液体的类型。对于具有相对较低的离子摩尔浓度的某些溶液，可使用渗压计精确测量渗透压。在其他情况下，可通过与具有已知渗透压的溶液比较来简单地确定渗透压。例如，为了确定未表征溶液的渗透压，可以在无孔半渗透性渗透膜的一侧施加已知量的未表征溶液，并且在渗透膜的另一侧反复施加具有已知渗透压的不同溶液，直到穿过渗透膜的厚度的差压为零。
含有n种溶解物的溶液的渗透压(Π)可估算为：
Figure BDA0001612473100000091
其中ij是第j种溶解物的范霍夫因子(van’t Hoff factor)，Mj是溶液中第j种溶解物的摩尔浓度，R是理想气体常数，T是溶液的绝对温度。公式2通常提供对具有低浓度的溶解物(例如，浓度为或低于约4wt％至约6wt％)的液体的渗透压的精确估算。对于许多包含溶解物的物质浓度大于约4-6wt％的液体，每提高盐浓度时渗透压的提高大于线性(例如，略微指数)。
本文所述的某些渗透膜分离器可用于进行正渗透。通常在渗透膜的第二(渗透物)侧的渗透压大于渗透膜的第一(渗余物)侧的渗透压时发生正渗透，以使得水从渗透膜的第一侧运输到渗透膜的第二侧。在正渗透系统中，只要渗透膜的第二侧和渗透膜的第一侧之间的液压差没有足够高以克服渗透膜的第一侧和渗透膜的第二侧之间的渗透压，则水通常从渗透膜的第一侧运输到渗透膜的第二侧。这样，渗透物流和渗透驱动力沿着相同的方向排列。在正渗透配置中，渗透膜的第二侧的流可启动来自渗透膜的第一侧的流的水穿过渗透膜从第一侧到第二侧的运输，导致产生具有相对于含水进料流更高渗透压(例如，更加浓缩的溶解物(例如，溶解离子和/或解离分子))的流。例如，参见图1A至1B，例如当第二侧106的渗透压高于第一侧104的渗透压并且从第二侧106到第一侧104的液压梯度(P106-P104)没有大得足以克服第一侧104和第二侧106的渗透压的差时，渗透膜102可用于进行正渗透。在这种情况下，水从可以从渗透膜102的第一侧104运输到渗透膜102的第二侧106。根据某些实施方案，这可导致产生流114，其可具有比流108的渗透压更高的渗透压。在其中流108包含溶解物(例如，离子)的某些实施方案中，正渗透过程可导致产生浓缩含水流114，其可包含摩尔浓度大于流108中溶解物(例如，离子)的摩尔浓度的溶解物(例如，离子)。另外，根据一些实施方案，正渗透过程可导致产生抽吸产物流112，其可具有比流110的渗透压更低的渗透压。例如，当抽吸流中使用溶解物时，抽吸产物流112可包含比流110中溶解物(例如，离子)的摩尔浓度更低摩尔浓度的溶解物(例如，离子)。
在一些情况下，可施加压力来增强正渗透过程。例如，在其中渗透膜第一侧的流具有比渗透膜第二侧的流更低渗透压的一些情况下，可向渗透膜第一侧施加压力，以使得渗透膜第一侧的流的液压高于渗透膜第二侧的流的液压。施加的压力可提高水从渗透膜的第一侧运输到渗透膜的第二侧的速率。这种配置在本文中有时称为压力辅助的正渗透。当然，一般不需要使用施加的压力来增强正渗透，并且在一些实施方案中，在基本上没有施加的压力(例如，以使得穿过渗透膜的液压梯度小于或等于约0.1巴)的情况下进行正渗透。
根据某些实施方案，可使用渗透膜进行反渗透。当渗透膜的第一(渗余物)侧的渗透压大于渗透膜的第二(渗透物)侧的渗透压，并且向渗透膜的第一侧施加压力使得渗透膜第一侧的液压充分大于渗透膜第二侧的液压以造成水从渗透膜的第一侧运输到渗透膜的第二侧时，通常发生反渗透。通常，当跨膜液压梯度(P1-P2)大于跨膜渗透压梯度(Π1-Π2)时会导致这种情况，以使得水从渗透膜的第一侧运输到渗透膜的第二侧(而不是使水从渗透膜的第二侧运输到渗透膜的第一侧，在没有向渗透膜的第一侧施加压力的情况下这将是能量上有利的)。参见图1A至1B，例如，当第一侧104的渗透压大于第二侧106的渗透压，向第一侧施加压力使得第一侧104的液压大于第二侧106的液压并且第一侧104的液压与第二侧106的液压之间的差大于第一侧104的渗透压与第二侧106的渗透压之间的差时，可使用渗透膜102进行反渗透。在这种情况下，水可从渗透膜102的第一侧104运输到渗透膜102的第二侧106。根据某些实施方案，这可导致产生流114，其可具有比流108更高的渗透压。例如，当流108中使用溶解物(例如，离子)时，根据某些实施方案，反渗透过程可导致产生浓缩含水流114，其可包含摩尔浓度大于流108中溶解物(例如，离子)的摩尔浓度的溶解物(例如，离子)。另外，根据一些实施方案，这可导致产生抽吸产物流112，其可具有比流110的渗透压更低的渗透压。例如，当抽吸入口流110中使用溶解物(例如，离子)时，根据某些一些实施方案，反渗透过程可导致产生抽吸产物流112，其可包含具有比流110中溶解物(例如，离子)的摩尔浓度更低摩尔浓度的溶解物(例如，离子)。
某些实施方案涉及包括初始正渗透脱盐步骤和一个或更多个下游反渗透步骤的脱盐系统和方法。图2A是根据某些实施方案的示例性脱盐系统200的示意图。在图2A中，脱盐系统200包含第一渗透膜202，其具有第一侧204和第二侧206。脱盐系统200还包含第二渗透膜216，其具有第一侧218和第二侧220。根据某些实施方案，第一渗透膜可用于进行第一渗透步骤，并且第二渗透膜可用于进行第二渗透步骤。例如，在一些实施方案中，第一渗透膜202可用于进行第一渗透步骤(例如，正渗透步骤)，并且第二渗透膜216可用于进行第二渗透步骤(例如，反渗透步骤)。
某些实施方案包括运输包含溶解离子的含水进料流经过第一渗透膜的第一侧。例如，参见图2A，在一些实施方案中，可运输包含溶解离子的含水进料流208经过第一渗透膜202的第一侧204。一些实施方案包括运输第一抽吸入口流经过第一渗透膜的第二侧。例如，参见图2A，在某些实施方案中，可运输第一抽吸入口流210经过第一渗透膜202的第二侧206。
在一些实施方案中，第一抽吸入口流具有比含水进料流的渗透压更高的渗透压(例如，由于与含水进料流相比第一抽吸入口流中更高摩尔浓度的总溶解物)。在一些这样的实施方案中，第一抽吸入口流的渗透压高于含水进料流的渗透压，以使得水从含水进料流穿过第一渗透膜运输到第一抽吸入口流。在一些这样的实施方案中，该过程可产生具有比第一抽吸入口流更低渗透压的第一抽吸产物流(例如，由于与第一抽吸入口流相比第一抽吸产物流中更低摩尔浓度的溶解物)。在一些情况下，该过程还可产生具有比含水进料流更高摩尔浓度的溶解离子的浓缩含水流。例如，在图2A中，在一些实施方案中，第一抽吸入口流210可具有足够高的渗透压，以使得水从含水进料流208穿过第一渗透膜202运输到第一抽吸入口流210。水穿过渗透膜202的运输可导致产生具有比第一抽吸入口流210更低渗透压的第一抽吸产物流212(例如，由于与抽吸入口流210相比抽吸产物流212中更低摩尔浓度的溶解物(例如，离子))。水穿过渗透膜202的运输可导致产生具有比含水进料流208更高摩尔浓度的溶解离子的浓缩含水流214。
在某些实施方案中，浓缩含水流(例如，图2A至2B中的214)的渗透压可以为含水进料流(例如，图2A至2B中的流208)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在一些实施方案中，浓缩含水流(例如，图2A至2B中的214)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为含水进料流(例如，图2A至2B中的流208)中溶解物(例如，离子)的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2A至2B，在一些实施方案中，第一含水进料流208可具有10wt％的溶解离子浓度，第一浓缩含水流214可具有20wt％的溶解离子浓度，其为第一含水进料流中溶解离子的重量百分比的2倍。
在某些实施方案中，第一抽吸入口流(例如，图2A至2B中的流210)的渗透压可以为第一抽吸产物流(例如，图2A至2B中的流212)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在某些实施方案中，第一抽吸入口流(例如，图2A至2B中的流210)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为第一抽吸产物流(例如，图2A至2B中的流212)中溶解离子的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2A至2B，在一些实施方案中，第一抽吸产物流212可具有12wt％的溶解离子浓度，第一抽吸入口流210可具有20wt％的溶解离子浓度，其为第一抽吸产物流中溶解离子的重量百分比的1.67倍。
在某些实施方案中，第一渗透膜分离器可作为正渗透膜分离器操作。例如，在一些实施方案中，第一渗透膜的第一侧的流的渗透压可低于第一渗透膜的第二侧的流的渗透压，以使得至少部分水由于跨膜渗透压差从第一渗透膜的第一侧运输到第一渗透膜的第二侧。在一些实施方案中，可在基本没有向渗透膜的第一侧施加液压的情况下进行正渗透过程。例如，参见图2A，在一些实施方案中，可在基本没有向渗透膜202的第一侧204的液体施加液压的情况下使用渗透膜202进行正渗透(例如，如上所述)。在另一些情况下，正渗透过程可以是压力辅助的正渗透过程，其中向渗透膜的第一侧施加相当大的液压。例如，参见图2A，在一些实施方案中，可在向渗透膜202的第一侧204的液体施加液压的同时使用渗透膜202进行正渗透(例如，如上所述)。
某些实施方案包括从第一渗透膜的第二侧运输第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧。例如，参见图2A，在一些实施方案中，可运输第一抽吸产物流212的至少一部分经过第二渗透膜216的第一侧218。一些实施方案包括运输第二抽吸入口流经过第二渗透膜的第二侧。例如，在图2A中所示的示例性实施方案中，可运输第二抽吸入口流222经过第二渗透膜216的第二侧220。
某些实施方案包括向第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从第一抽吸产物流穿过第二渗透膜运输到第二抽吸入口流，以产生具有比第二抽吸入口流更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，离子))的第二抽吸产物流和具有比第一抽吸产物流更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，离子))的第二浓缩含水流。例如，参见图2A，在一些实施方案中，向第二渗透膜216的第一侧218施加液压，以使得水从第一抽吸产物流212穿过第二渗透膜216运输到第二抽吸入口流222，以产生具有比第二抽吸入口流222更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，离子))的第二抽吸产物流224和具有比第一抽吸产物流212更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，离子))的第二浓缩含水流226。
在一些实施方案中，第二浓缩含水流(例如，图2A至2B中的226)的渗透压可以为第一抽吸产物流(例如，图2A至2B中的流212)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在一些实施方案中，第二浓缩含水流(例如，图2A至2B中的226)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为第一抽吸产物流(例如，图2A至2B中的流212)中溶解物(例如，离子)的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2A至2B，在一些实施方案中，第一抽吸产物流212可具有12wt％的溶解离子浓度，第二浓缩含水流226可具有22wt％的溶解离子浓度，其为第一抽吸产物流中溶解离子的重量百分比的1.83倍。
在某些实施方案中，第二抽吸入口流(例如图2A至2B中的流222)的渗透压可以为第二抽吸产物流(例如图2A至2B中的流224)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在某些实施方案中，第二抽吸入口流(例如图2A至2B中的流222)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为第二抽吸产物流(例如图2A至2B中的流224)中溶解物(例如，离子)的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2A至2B，在一些实施方案中，第二抽吸产物流224可具有10wt％的溶解离子浓度，第二抽吸入口流222可具有20wt％的溶解离子浓度，其为第二抽吸产物流中溶解离子的重量百分比的2倍。
根据某些实施方案，第二渗透膜分离器可作为反渗透膜分离器操作。也就是说，在一些实施方案中，可通过向第二渗透膜的第一侧施加液压作为驱动力来将水从第二渗透膜的第一侧运输到第二渗透膜的第二侧，以使得穿过膜的厚度的局部渗透压梯度(其本来将有利于将水从膜的第二侧运输到膜的第一侧)通过施加的液压而被克服。在一些实施方案中，第二渗透膜的第一侧的流的渗透压可大于第二渗透膜的第二侧的流的渗透压，以使得由于向第二渗透膜的第一侧施加的液压而将水运输穿过第二渗透膜。
如上所述，某些实施方案涉及其中多个反渗透步骤连续执行的脱盐系统和方法。图2B是根据某些实施方案的示例性脱盐系统260的示意图。在图2B中，脱盐系统260包括第一渗透膜202(其包括第一侧204和第二侧206)和第二渗透膜216(其包括第一侧218和第二侧220)。根据某些实施方案，第一渗透膜202和第二渗透膜216可以如本文其他地方关于膜202和216所述(例如，如图2A所示)来操作。图2B中的系统260还包括第三渗透膜228，其包括第一侧230和第二侧232。系统260还包含任选的第四渗透膜240，其包括第一侧242和第二侧244。根据某些实施方案，第一渗透膜可用于进行第一渗透步骤，第二渗透膜可用于进行第二渗透步骤，第三渗透膜可用于进行第三渗透步骤。根据某些实施方案，当存在时，第四渗透膜可用于进行第四渗透步骤。作为一个实例，在一些实施方案中，第一渗透膜202可用于进行第一渗透步骤(例如，正渗透脱盐步骤)，第二渗透膜216可用于进行行第二渗透步骤(例如，第一反渗透脱盐步骤)，第三渗透膜228可用于进行第三渗透步骤(例如第二反渗透脱盐步骤)。当存在时，任选的第四渗透膜可用于进行第四渗透步骤(例如，第三反渗透步骤)。
根据一些实施方案，第一渗透膜202和第二渗透膜216可如别处所述操作。一些实施方案包括运输从第二渗透膜的第二侧运输第二抽吸产物流的至少一部分经过第三渗透膜的第一侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，从第二渗透膜216的第二侧220运输第二抽吸产物流224的至少一部分经过第三渗透膜228的第一侧230。某些实施方案包括运输第三抽吸入口流经过第三渗透膜的第二侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，运输第三抽吸入口流234通过第三渗透膜228的第二侧232。
一些实施方案包括向第三渗透膜的第一侧的第二抽吸产物流施加液压，以使得水从第二抽吸产物流穿过第三渗透膜运输到第三抽吸入口流，以产生具有比第三抽吸入口流更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第三抽吸产物流和具有比第二抽吸产物流更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第三浓缩流。例如，参见图2B，在一些实施方案中，向第三渗透膜228的第一侧230的第二抽吸产物流224施加液压，以使得水从第二抽吸产物流224经过第三渗透膜228运输到第三抽吸入口流234，以产生具有比第三抽吸入口流234更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第三抽吸产物流236和具有比第二抽吸产物流234更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第三浓缩含水流238。
在某些实施方案中，第三浓缩含水流(例如，图2B中的238)的渗透压可以为第二抽吸产物流(例如，图2B中的流224)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在一些实施方案中，第三浓缩含水流(例如，图2B中的238)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为第二抽吸产物流(例如，图2B中的流224)中溶解物(例如，离子)的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2B，在一些实施方案中，第二抽吸产物流224可具有10wt％的溶解离子浓度，第三浓缩含水流238可具有20wt％的溶解离子浓度，其为第二抽吸产物流中溶解离子的重量百分比的2倍。
在某些实施方案中，第三抽吸入口流(例如，图2B中的流234)的渗透压可以为第三抽吸产物流(例如，图2B中的流236)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在某些实施方案中，第三抽吸入口流(例如，图2B中的流234)的溶解物(例如，离子)的重量百分比可以为第三抽吸产物流(例如，图2B中的流236)中溶解物(例如，离子)的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。例如，参见图2B，在一些实施方案中，第三抽吸产物流236可具有8wt％的溶解离子浓度，第三抽吸入口流234可具有18wt％的溶解离子浓度，其为第三抽吸产物流中溶解离子的重量百分比的2.25倍。
根据某些实施方案，第三渗透膜分离器可作为反渗透膜分离器操作。也就是说，在一些实施方案中，可通过向第三渗透膜的第一侧施加液压作为驱动力来将水从第三渗透膜的第一侧运输到第三渗透膜的第二侧，以使得穿过膜的厚度的局部渗透压梯度(其本来将有利于将水从膜的第二侧运输到膜的第一侧)通过施加的液压而被克服。在一些实施方案中，第三渗透膜的第一侧的流的渗透压可大于第三渗透膜的第二侧的流的渗透压，以使得由于向第三渗透膜的第一侧施加的液压运输水穿过第三渗透膜。
在一些实施方案中，可使用第四、第五、第六或更多个渗透膜。根据一些实施方案，图2B中的系统260包含任选的第四渗透膜240，其包括第一侧242和第二侧244。一些实施方案包括从第三渗透膜的第二侧运输第三抽吸产物流的至少一部分经过第四渗透膜的第一侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，从第三渗透膜228的第二侧232运输第三抽吸产物流236的至少一部分经过第四渗透膜240的第一侧242。某些实施方案包括运输第四抽吸入口流经过第四渗透膜的第二侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，运输第四抽吸入口流246经过第四渗透膜240的第二侧244。
一些实施方案包括向第四渗透膜的第一侧的第三抽吸产物流施加液压，以使得水从第三抽吸产物流穿过第四渗透膜运输到第四抽吸入口流，以产生具有比第四抽吸入口流更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第四抽吸产物流和具有比第三抽吸产物流更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第四浓缩流。例如，参见图2B，在一些实施方案中，向第四渗透膜240的第一侧242的第三抽吸产物流236施加液压，以使得水从第三抽吸产物流236穿过第四渗透膜240运输到第四抽吸入口流246，以产生具有比第四抽吸入口流246更低渗透压(例如，由于更低摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第四抽吸产物流248和具有比第三抽吸产物流236更高渗透压(例如，由于更高摩尔浓度的溶解物(例如，溶解离子))的第四浓缩含水流250。
在一些实施方案中，第四浓缩含水流(例如，图2B中的250)的渗透压可以为第三抽吸产物流(例如，图2B中的流236)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在一些实施方案中，第四浓缩含水流(例如，图2B中的250)的溶解离子的重量百分比可以为第三抽吸产物流(例如，图2B中的流236)中溶解离子的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在某些实施方案中，第四抽吸入口流(例如图2B中的流246)的渗透压可以为第四抽吸产物流(例如，图2B中的流248)的渗透压的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
在某些实施方案中，第四抽吸入口流(例如，图2B中的流246)的溶解离子的重量百分比可以为第四抽吸产物流(例如，图2B中的流248)中溶解离子的重量百分比的至少约1.01倍、至少约1.1倍、至少约1.5倍、至少约2倍、至少约5倍、至少约10倍或至少约50倍(和/或在一些实施方案中，高至约100倍、高至约500倍、高至约1000倍、高至约5000倍或更高)。
根据某些实施方案，第四渗透膜分离器可作为反渗透膜分离器操作。也就是说，在一些实施方案中，可通过向第四渗透膜的第一侧施加液压作为驱动力来将水从第四渗透膜的第一侧运输到第四渗透膜的第二侧，以使得穿过膜的厚度的局部渗透压梯度(其本来将有利于将水从膜的第二侧运输到膜的第一侧)通过施加的液压而被克服。在一些实施方案中，第四渗透膜的第一侧的流的渗透压可大于第四渗透膜的第二侧的流的渗透压，以使得由于向第四渗透膜的第一侧施加的液压运输水经过第四渗透膜。
可使用本文所述的某些系统和方法，以使得在操作过程中，以使得跨膜净驱动力(即，穿过渗透膜的厚度的净驱动力)在渗透膜的表面区域上是空间上均匀的。如上所述，跨膜净驱动力定义为如公式1所示的跨膜液压梯度与跨膜渗透压梯度之间的差。在一些实施方案中，在渗透膜(例如，第一渗透膜、第二渗透膜、第三渗透膜(如果存在)和/或第四渗透膜(如果存在))的至少约90％、至少约95％、至少约98％或至少约99％的表面区域上，跨膜净驱动力均匀至约10％以内、约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内。
渗透膜的表面区域上任何给定位置处的跨膜净驱动力通过测量该位置处渗透膜两侧的流的性质来确定。具体地，可以测量该位置处渗透膜两侧的液压和该位置处渗透膜两侧的渗透压。然后可使用上面的公式1计算跨膜净驱动力。作为具体实例，参见图1B，渗透膜102的点150处的跨膜净驱动力可通过测量以下来确定：点150处侧104的流的液压(P150)；点150处侧104的流的渗透压(Π150)；点150相对的点152处侧106的流的液压(P152)；和点152处侧106的流的渗透压(Π152)。则点150处的跨膜净驱动力(Δχ150)计算为：
Δχ150＝ΔP-ΔΠ＝(P150-P152)-(Π150-Π152) [3]
为了确定其上的跨膜净驱动力均匀的表面区域的百分比，可以测量渗透膜的二维表面区域上的点(例如，图1C中所示由维160和161限定的表面区域163上的点)处的跨膜净驱动力，并确定空间平均跨膜净驱动力。如果特定位置处的跨膜净驱动力在渗透膜的表面区域上空间平均的跨膜净驱动力(在本文中也称为空间平均跨膜净驱动力)的X％以内，则认为该位置处的跨膜净驱动力均匀至X％以内。
为了确定渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜净驱动力，可以计算渗透膜的表面区域上每个点处的跨膜净驱动力(使用等式1)(以产生跨膜净驱动力的二维分布)，并且对跨膜净驱动力的分布进行空间平均。为了说明示例性计算，参见图1C至1D。图1C是渗透膜102的前面、顶部、右侧透视图，图1D是图1C的渗透膜102的前面、底部、右侧透视图。在图1C至1D中，渗透膜102包括第一侧104和第二侧106。渗透膜102还包括由维160和161限定的表面区域163。为了确定图1C至1D中渗透膜102的表面区域163上的空间平均跨膜净驱动力，可以计算渗透膜102的表面区域163上每个点处跨膜净驱动力的二维分布(使用公式1)。例如，在图1C至1D中，使用公式1确定表面区域163上点150A和152A之间、点150B和152B之间、点150C和152C之间、点150D和152D之间、点150E和152E之间以及统计学上代表数目的点对处的跨膜净驱动力，直到产生跨膜净驱动力的二维谱图(2-dimensional profile)。然后，通过对二维谱图内每个点处的跨膜净驱动力进行数量平均来计算穿过膜102的空间平均跨膜净驱动力。
根据某些实施方案，如以下更详细描述的，通过启动(和/或选择)渗透分离器的进料入口和抽吸入口的适当操作条件(例如，质量流速、渗透压和/或液压)来至少部分地使跨膜净驱动力均匀。
可以操作本文所述的某些系统和方法，以使得渗透膜每一侧的入口处的条件满足以下公式：
Figure BDA0001612473100000201
其中PF是在进料流(即，在渗透过程期间进入渗透分离器并从其中除去水的流)的入口处的液压；mF，i是对于渗透膜在进料流的入口处进料流的质量流速；πF，i是对于渗透膜在进料流的入口处进料流的渗透压；PD是对于渗透膜在抽吸流(即，在渗透过程期间进入渗透分离器并且水进入其中的流)的入口处的液压；mD，i是在抽吸流的入口处抽吸流的质量流速；πD，i是在抽吸流的入口处抽吸流的渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。不希望受到任何特定理论的约束，认为操作渗透膜使得其满足上面的公式4可以降低(例如，最小化)熵产生并且建立穿过渗透膜的水的基本均匀的局部通量，这可以降低渗透过程中浪费的能量。
为了根据公式4评估系统的性能，进入流的质量流速、液压和渗透压应作为进入液体进入渗透分离器的点处进入液体的整体质量流速(bulk mass flow rate)、整体液压(bulk hydraulic pressure)和整体渗透压(bulk osmotic pressure)来测量。整体液压(其通常作为表压(gauge pressure)测量)可以例如使用压力传感器、波登管(Bourdontube)、隔膜压力计或者任何其他合适的压力计来测量。整体流速可使用本领域普通技术人员已知的许多合适的流量计中的任何一种来确定。流的整体渗透压可以例如通过测量流的样品的渗透压(例如，使用本文其他地方描述的任何方法)来确定。
参考图1B，例如，在某些实施方案中，可以操作包含渗透膜102的渗透分离器，以使得：
Figure BDA0001612473100000211
其中P108是进入渗透分离器时流108的整体液压；m108是进入渗透分离器时流108的整体质量流速；π108是进入渗透分离器时流108的整体渗透压；P110是进入渗透分离器时流110的整体液压；m110是进入渗透分离器时流110的整体质量流速；π110是进入渗透分离器时流110的整体渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。
作为一个非限制性实例，在某些实施方案中，可以操作第一渗透分离器(包含第一渗透膜)，以使得其满足上面的公式4。例如，在一些实施方案中，参见图2A至2B，可以操作包含第一渗透膜202的第一渗透分离器，以使得：
Figure BDA0001612473100000212
其中P208是进入第一渗透分离器时流208的整体液压m208是进入第一渗透分离器时流208的整体质量流速；π208是进入第一渗透分离器时流208的整体渗透压；P210是进入第一渗透分离器时流210的整体液压；m210是进入第一渗透分离器时流210的整体质量流速；π210是进入第一渗透分离器时流210的整体渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。
在一些实施方案中，可以操作第二渗透分离器(包含第二渗透膜)，以使得其满足上面的公式4。例如，在一些实施方案中，参见图2A至2B，可以操作包含第二渗透膜216的第二渗透分离器，以使得：
Figure BDA0001612473100000213
其中P212是进入第二渗透分离器时流212的整体液压；m212是进入第二渗透分离器时流212的整体质量流速；π212是进入第二渗透分离器时流212的整体渗透压；P222是进入第二流渗透分离器时流222的整体液压；m222是进入第二渗透分离器时流222的整体质量流速；π222是进入第二渗透分离器时流222的整体渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。
根据某些实施方案，可以操作第三渗透分离器(包含第三渗透膜)，以使得其满足上面的公式4。例如，在一些实施方案中，参见图2B，可以操作包含第三渗透膜228的第三渗透分离器，以使得：
Figure BDA0001612473100000221
其中P224是进入第三渗透分离器时流224的整体液压；m224是进入第三渗透分离器时流224的整体质量流速；π224是进入第三渗透分离器时流224的整体渗透压；P234是进入第三流渗透分离器时流234的整体液压；m234是进入第三渗透分离器时流234的整体质量流速；π234是进入第三渗透分离器时流234的整体渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。
根据某些实施方案，可以操作第四渗透分离器(包含第四渗透膜)，以使得其满足上面的公式4。例如，在一些实施方案中，参见图2B，可以操作包含第四渗透膜240的第四渗透分离器，以使得：
Figure BDA0001612473100000222
其中P236是进入第四渗透分离器时流236的整体液压；m236是进入第四渗透分离器时流236的整体质量流速；π236是进入第四渗透分离器时流236的整体渗透压；P246是进入第四流渗透分离器时流246的整体液压；m246是进入第四渗透分离器时流246的整体质量流速；π246是进入第四渗透分离器时流246的整体渗透压；并且C为约0.8至约1.2。在某些实施方案中，C可以为约0.9至约1.1，约0.95至约1.05，约0.98至约1.02，或约0.99至约1.01。
某些实施方案包括引导含水进料流经过渗透膜和/或抽吸入口流经过渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入渗透膜的抽吸入口流的质量流速与进入渗透膜的含水进料流的质量流速的比率；以及进入渗透膜的含水进料流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之间的差与进入渗透膜的抽吸入口流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之和的比率。跨越渗透膜的入口压差对应于渗透膜的进料流入口处的液压(在本文中也称为PF)与抽吸流入口处的液压(在本文中也称为PD)之间的差。因此，跨越渗透膜的入口压差可以表示为PF-PD。
进入渗透膜的抽吸入口流的质量流速(在本文中也称为mD，i)与进入渗透膜的含水进料流的质量流速(在本文中也称为mF，i)的比率可通过用进入渗透膜的抽吸入口流的质量流速除以进入渗透膜的含水进料流的质量流速来计算(因此可以表示为mD，i/mF，i)。类似地，进入渗透膜的含水进料流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之间的差(在本文中也称为πF，i-(PF-PD))与进入渗透膜的抽吸入口流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之和(在本文中也称为πD，i+(PF-PD))的比率可通过用进入渗透膜的含水进料流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之间的差除以进入渗透膜的抽吸入口流的渗透压和跨越渗透膜的入口压差之和来计算(因此可以表示为[(πF，I-(PF-PD))/(πD，I+(PF-PD))]。为了评估上述比率，进入流的质量流速、液压和渗透压应作为进入液体进入渗透分离器的位置处进入液体的的整体质量流速、整体液压和整体渗透压来测量。
参见图1B，例如，某些实施方案包括引导含水进料流108经过渗透膜102和/或抽吸入口流110经过渗透膜102的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入渗透膜102的抽吸入口流110的质量流速与进入渗透膜102的含水进料流108的质量流速的比率；以及进入渗透膜102的含水进料流108的渗透压和跨越渗透膜102的入口压差之间的差与进入渗透膜102的抽吸入口流110的渗透压和跨越渗透膜102的入口压差之和的比率。跨越渗透膜102的入口压差可通过用对于渗透膜102在含水进料流108的入口处含水进料流108的液压减去对于渗透膜102在抽吸入口流110的入口处抽吸入口流110的液压来计算。
在某些实施方案中，可以操作第一渗透分离器(包含第一渗透膜)，以使得上述比率彼此相对接近。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导含水进料流208经过第一渗透膜202和/或第一抽吸入口流210经过第一渗透膜202的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入第一渗透膜202的第一抽吸入口流210的质量流速与进入第一渗透膜202的含水进料流208的质量流速的比率；以及进入第一渗透膜202的含水进料流208的渗透压和跨越第一渗透膜202的入口压差之间的差与进入第一渗透膜202的第一抽吸入口流210的渗透压和跨越第一渗透膜202的入口压差之和的比率。跨越第一渗透膜202的入口压差可通过用对于第一渗透膜202在含水进料流208的入口处含水进料流208的液压减去对于第一渗透膜202在第一抽吸入口流210的入口处第一抽吸入口流210的液压来计算。
在某些实施方案中，可以操作第二渗透分离器(包含第二渗透膜)，以使得上述比率彼此相对接近。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导第一抽吸产物流212经过第二渗透膜216和/或第二抽吸入口流222经过第二渗透膜216的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入第二渗透膜216的第二抽吸入口流222的质量流速与进入第二渗透膜216的第一抽吸产物流212的质量流速的比率；以及进入第二渗透膜216的第一抽吸产物流212的渗透压和跨越第二渗透膜216的入口压差之间的差与进入第二渗透膜216的第二抽吸入口流222的渗透压和跨越第二渗透膜216的入口压差之和的比率。跨越第二渗透膜216的入口压差可通过用对于第二渗透膜216在第一抽吸产物流212的入口处第一抽吸产物流212的液压减去对于第二渗透膜216在第二抽吸入口流222的入口处第二抽吸入口流222的液压来计算。
在某些实施方案中，可以操作第三渗透分离器(包含第三渗透膜)，以使得上述比率彼此相对接近。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第二抽吸产物流224经过第三渗透膜228和/或第三抽吸入口流234经过第三渗透膜228的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入第三渗透膜228的第三抽吸入口流234的质量流速与进入第三渗透膜228的第二抽吸产物流224的质量流速的比率；以及进入第三渗透膜228的第二抽吸产物流224的渗透压和跨越第三渗透膜228的入口压差之间的差与进入第三渗透膜228的第三抽吸入口流234的渗透压和跨越第三渗透膜228的入口压差之和的比率。跨越第三渗透膜228的入口压差可通过用对于第三渗透膜228在第二抽吸产物流224的入口处第二抽吸产物流224的液压减去对于第三渗透膜228在第三抽吸入口流234的入口处第三抽吸入口流234的液压来计算。
在某些实施方案中，可以操作第四渗透分离器(包含第四渗透膜)，以使得上述比率彼此相对接近。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第三抽吸产物流236经过第四渗透膜240和/或第四抽吸入口流246经过第四渗透膜240的运输，以使得以下两个比率在彼此约20％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约10％以内、彼此的约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)：进入第四渗透膜240的第四抽吸入口流246的质量流速与进入第四渗透膜240的第三抽吸产物流236的质量流速的比率；以及进入第四渗透膜240的第三抽吸产物流236的渗透压和跨越第四渗透膜240的入口压差之间的差与进入第四渗透膜240的第四抽吸入口流246的渗透压和跨越第四渗透膜240的入口压差之和的比率。跨越第四渗透膜240的入口压差可通过用对于第四渗透膜240在第三抽吸产物流236的入口处第三抽吸产物流236的液压减去对于第四渗透膜240在第四抽吸入口流246的入口处第四抽吸入口流246的液压来计算。
某些实施方案包括引导含水进料流经过渗透膜和/或抽吸入口流经过渗透膜的运输，以使得对于渗透膜在含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于渗透膜在抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。如上所述，可使用公式1计算沿着渗透膜的特定位置处的跨膜净驱动力。
参见图1B，例如，某些实施方案包括引导含水进料流108经过渗透膜102和/或抽吸入口流110经过渗透膜102的运输，以使得对于渗透膜102在含水进料流108的入口处的跨膜净驱动力和对于渗透膜102在抽吸入口流110的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第一渗透分离器(包含第一渗透膜)，以使得对于第一渗透膜在入口处的跨膜净驱动力彼此相对接近。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导含水进料流208经过第一渗透膜202和/或第一抽吸入口流210经过第一渗透膜202的运输，以使得对于第一渗透膜202在含水进料流208的入口处的跨膜净驱动力和对于第一渗透膜202在第一抽吸入口流210的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第二渗透分离器(包含第二渗透膜)，以使得对于第二渗透膜在入口处的跨膜净驱动力彼此相对接近。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导第一抽吸产物流212经过第二渗透膜216和/或第二抽吸入口流222经过第二渗透膜216的运输，以使得对于第二渗透膜216在第一抽吸产物流212的入口处的跨膜净驱动力和对于第二渗透膜216在第二抽吸入口流222的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第三渗透分离器(包含第三渗透膜)，以使得对于第三渗透膜在入口处的跨膜净驱动力彼此相对接近。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第二抽吸产物流224经过第三渗透膜228和/或第三抽吸入口流234经过第三渗透膜228的运输，以使得对于第三渗透膜228在第二抽吸产物流224的入口处的跨膜净驱动力和对于第三渗透膜228在第三抽吸入口流234的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第四渗透分离器(包含第四渗透膜)，以使得对于第四渗透膜在入口处的跨膜净驱动力彼此相对接近。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第三抽吸产物流236经过第四渗透膜240和/或第四抽吸入口流246经过第四渗透膜240的运输，以使得对于第四渗透膜240在第三抽吸产物流236的入口处的跨膜净驱动力和对于第四渗透膜240在第四抽吸入口流246的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、彼此的约3％以内、彼此的约2％以内或彼此的约1％以内)。
可例如通过选择流动的流的适当的操作条件(例如，质量流速、渗透压(例如，通过溶解物选择和/或浓度)和/或液压)来控制、启动和/或选择对于渗透膜在入口处的跨膜净驱动力。
在一些实施方案中，可以操作一个或更多个渗透膜，以使得对于渗透膜在入口处的跨膜净驱动力最初相对不平衡，此后，可以调节系统的操作，以使得对于渗透膜在入口处的跨膜净驱动力相对平衡。例如，一些实施方案包括引导含水进料流经过渗透膜和/或抽吸入口流经过渗透膜的运输，以使得对于渗透膜在含水进料流的入口处的渗透净驱动力和对于渗透膜在抽吸入口流的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量含水进料流和/或抽吸入口流的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变含水进料流的流速和抽吸入口流的流速中的至少一种，以使得对于渗透膜在含水进料流的入口处的跨膜净驱动力和对于渗透膜在抽吸入口流的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
参见图1B，例如，某些实施方案包括引导含水进料流108经过渗透膜102和/或抽吸入口流110经过渗透膜102的运输，以使得对于渗透膜102在含水进料流108的入口处的渗透净驱动力和对于渗透膜102在抽吸入口流110的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量含水进料流108和/或抽吸入口流110的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变含水进料流108的流速和抽吸入口流110的流速中的至少一种，以使得对于渗透膜102在含水进料流108的入口处的跨膜净驱动力和对于渗透膜102在抽吸入口流110的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第一渗透分离器(包含第一渗透膜)，以使得对于第一渗透膜在入口处的跨膜净驱动力最初相对不平衡，此后，可以调节系统的操作，以使得对于第一渗透膜在入口处的跨膜净驱动力相对平衡。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导含水进料流208经过第一渗透膜202和/或第一抽吸入口流210经过第一渗透膜202的运输，以使得对于第一渗透膜202在含水进料流208的入口处的渗透净驱动力和对于第一渗透膜202在第一抽吸入口流210的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量含水进料流208和/或第一抽吸入口流210的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变含水进料流208的流速和第一抽吸入口流210的流速中的至少一种，以使得对于第一渗透膜202在含水进料流208的入口处的跨膜净驱动力和对于第一渗透膜202在第一抽吸入口流210的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第二渗透分离器(包含第二渗透膜)，以使得对于第二渗透膜在入口处的跨膜净驱动力最初相对不平衡，此后，可以调节系统的操作，以使得对于第二渗透膜在入口处的跨膜净驱动力相对平衡。例如，参见图2A至2B，某些实施方案包括引导第一抽吸产物流212经过第二渗透膜216和/或第二抽吸入口流222经过第二渗透膜216的运输，以使得对于第二渗透膜216在第一抽吸产物流212的入口处的渗透净驱动力和对于第二渗透膜216在第二抽吸入口流222的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量第一抽吸产物流212和/或第二抽吸入口流222的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变第一抽吸产物流212的流速和第二抽吸入口流222的流速中的至少一种，以使得对于第二渗透膜216在第一抽吸产物流212的入口处的跨膜净驱动力和对于第二渗透膜216在第二抽吸入口流222的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第三渗透分离器(包含第三渗透膜)，以使得对于第三渗透膜在入口处的跨膜净驱动力最初相对不平衡，此后，可以调节系统的操作，以使得对于第三渗透膜在入口处的跨膜净驱动力相对平衡。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第二抽吸产物流224经过第三渗透膜228和/或第三抽吸入口流234经过第三渗透膜228的运输，以使得对于第三渗透膜228在第二抽吸产物流224的入口处的渗透净驱动力和对于第三渗透膜228在第三抽吸入口流234的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量第二抽吸产物流224和/或第三抽吸入口流234的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变第二抽吸产物流224的流速和第三抽吸入口流234的流速中的至少一种，以使得对于第三渗透膜228在第二抽吸产物流224的入口处的跨膜净驱动力和对于第三渗透膜228在第三抽吸入口流234的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
在某些实施方案中，可以操作第四渗透分离器(包含第四渗透膜)，以使得对于第四渗透膜在入口处的跨膜净驱动力最初相对不平衡，此后，可以调节系统的操作，以使得对于第四渗透膜在入口处的跨膜净驱动力相对平衡。例如，参见图2B，某些实施方案包括引导第三抽吸产物流236经过第四渗透膜240和/或第四抽吸入口流246经过第四渗透膜240的运输，以使得对于第四渗透膜240在第三抽吸产物流236的入口处的渗透净驱动力和对于第四渗透膜240在第四抽吸入口流246的入口处的渗透净驱动力彼此相差至少约10％(和/或在一些实施方案中，彼此相差至少约11％、至少约12％、至少约15％、至少约20％、至少约50％或至少约100％)。一些这样的实施方案包括测量第三抽吸产物流236和/或第四抽吸入口流246的温度、压力、溶解物浓度和流速中的至少一种。一些这样的实施方案包括改变第三抽吸产物流236的流速和第四抽吸入口流246的流速中的至少一种，以使得对于第四渗透膜240在第三抽吸产物流236的入口处的跨膜净驱动力和对于第四渗透膜240在第四抽吸入口流246的入口处的跨膜净驱动力在彼此约10％以内(和/或在一些实施方案中在彼此约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内)。
可使用本文所述的某些系统和方法，以使得在操作期间，对于至少一个渗透膜(例如，第一渗透膜、第二渗透膜、第三渗透膜、第四渗透膜等中的至少一个)，穿过渗透膜的厚度的水的线性流速(即，水的跨膜线性流速)在渗透膜的表面区域上是空间均匀的。本领域普通技术人员能够例如通过测量多个位置处渗透膜每一侧流的浓度并且对渗透膜进行质量平衡来在操作期间确定渗透膜的表面区域上多个点处水的跨膜线性流速。在一些实施方案中，在渗透膜(例如，第一渗透膜、第二渗透膜、第三渗透膜(如果存在)和/或第四渗透膜(如果存在))的至少约90％、至少约95％、至少约98％或至少约99％的表面区域上，水的跨膜线性流速均匀至约20％以内、约10％以内、约5％以内、约3％以内、约2％以内或约1％以内。为了确定其上水的跨膜线性流速空间均匀的表面区域的百分比，可使用与上面关于跨膜净力驱动力的均匀性类似的方法。例如，可以确定渗透膜的二维表面区域上的点(例如，图1C中所示由维160和161限定的表面区域163上的点)处水的跨膜线性流速。如果渗透膜特定位置处水的跨膜线性流速在水的空间平均跨膜线性流速的X％以内，则认为该位置处水的跨膜线性流速均匀至X％以内。为了确定水的空间平均跨膜线性流速，可以确定渗透膜的表面区域上每个点处水的跨膜线性流速(以产生二维分布)，并且对水的跨膜线性流速分布进行空间平均。不希望受到任何特定理论的约束，认为操作一个或更多个渗透膜使得水的线性流速在膜上相对空间均匀可以在膜的表面区域产生相对均匀的水通量，其可导致降低操作膜期间的热动力学损失。
根据某些实施方案，渗透膜任一侧的流可以以逆流配置(counter-currentconfiguration)操作。根据某些(但未必所有)实施方案，以这种方式操作脱盐系统可允许更容易确保渗透膜的表面区域上的跨膜净驱动力是空间均匀的。逆流的一个例子示出在图1B中，其中含水进料流108沿箭头103的方向运输经过渗透膜102的第一侧104，而抽吸入口流110沿箭头105的方向运输经过渗透膜102的第二侧106。应理解，两个流不必以被认为是逆流配置的完全平行且相反方向来运输，在一些实施方案中，逆流配置中的两个流的主流动方向可形成高至约10°(或在一些实施方案中，高至约5°、高至约2°或高至约1°)的角度。在某些实施方案中，含水进料流和第一抽吸入口流以逆流配置运输经过第一渗透膜。根据一些实施方案，第一抽吸产物流和第二抽吸入口流以逆流配置运输经过第二渗透膜。在一些实施方案中，第二抽吸产物流和第三抽吸入口流以逆流配置运输经过第三渗透膜。在一些实施方案中，第三抽吸产物流和第四抽吸入口流以逆流配置运输经过第四渗透膜。
根据某些实施方案，脱盐系统内的流可再循环。例如，在某些实施方案中，第二浓缩含水流的至少一部分再循环到第一渗透膜的第二侧。在一些实施方案中，第一抽吸入口流包含第二浓缩含水流的至少一部分。例如，在图2A至2B中，在一些实施方案中，流226的至少一部分可再循环到渗透膜202的第二侧206。在一些这样的情况下，第一抽吸入口流210可包含第二浓缩含水流226的至少一部分，如通过连接流226和210的虚线指示的。在一些实施方案中，第三浓缩含水流的至少一部分再循环到第二渗透膜的第二侧。在一些实施方案中，第二抽吸入口流包含第三浓缩含水流的至少一部分。例如，在图2B中，在一些实施方案中，流238的至少一部分可再循环到渗透膜216的第二侧220。在一些这样的情况下，第二抽吸入口流222可包含第三浓缩含水流238的至少一部分，如通过连接流238和222的虚线指示的。在一些实施方案中，第四浓缩含水流的至少一部分再循环到第三渗透膜的第二侧。在一些实施方案中，第三抽吸入口流包含第四浓缩含水流的至少一部分。例如，在图2B中，在一些实施方案中，流250的至少一部分可再循环到渗透膜228的第二侧232。在一些这样的情况下，第三抽吸入口流234可以包含第四浓缩含水流250的至少一部分，如通过连接物流250和234的虚线指示的。根据某些(但未必所有)实施方案，流以这种方式再循环可简化脱盐系统的操作，降低脱盐系统产生的废物的体积，并允许更容易实现稳态运行。
某些(尽管未必所有)实施方案的一个优点是可以进行一个或更多个基于渗透膜的脱盐步骤，以使用相对较低的跨膜渗透压梯度实现期望的脱盐度。这样的低跨膜渗透压梯度可以是有利的，例如在使用反渗透进行脱盐的某些情况下，这是因为相对低的跨膜渗透压梯度可允许使用相对低的施加液压来进行分离，因此与较高的液压施加相比潜在地降低了能量要求和/或设备成本。在一些实施方案中，在第一渗透膜的至少一个位置处，第一渗透膜的第一侧的渗透压与第一渗透膜的第二侧(即，与第一渗透膜的第一侧相对)的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。例如，在图2A至2B中，在一些实施方案中，在第一渗透膜210的至少一个位置处，第一渗透膜202的第一侧204的渗透压与第一渗透膜202的第二侧206的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。
在一些实施方案中，相对低的跨膜渗透压梯度也可以存在于第二、第三、第四和/或另外的渗透膜上。例如，在一些实施方案中，在第二渗透膜的至少一个位置处，第二渗透膜的第一侧的渗透压与第二渗透膜的第二侧的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。例如，在图2A至2B中，在一些实施方案中，在第二渗透膜216上的至少一个位置处，第二渗透膜216的第一侧218的渗透压和第二渗透膜216的第二侧220的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。在某些实施方案中，在第三渗透膜的至少一个位置处，第三渗透膜的第一侧的渗透压与第三渗透膜的第二侧的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。例如，在图2B中，在一些实施方案中，在第三渗透膜228上的至少一个位置处，第三渗透膜228的第一侧230的渗透压与第三渗透膜228的第二侧232的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。在某些实施方案中，在第四渗透膜的至少一个位置处，第四渗透膜的第一侧的渗透压与第四渗透膜的第二侧的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。例如，在图2B中，在一些实施方案中，在第四渗透膜240上的至少一个位置处，第四渗透膜240的第一侧242的渗透压与第四渗透膜240的第二侧244的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。
根据某些实施方案，一个或更多个渗透膜(例如第一渗透膜，如图2A至2B中的膜202；第二渗透膜，如图2A至2B中的膜216；第三渗透膜，如图2B中的膜228；和/或第四渗透膜，如图2B中的膜240)的表面区域上的空间平均跨膜渗透压梯度相对较小。特定渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜渗透压梯度可使用与上述空间平均跨膜净驱动力的计算类似的方法来计算。例如，可以测量沿着渗透膜的第一侧的表面区域的所有点处的渗透压，测量沿着渗透膜的第二侧的表面区域的所有点处的渗透压，并且计算跨膜渗透压梯度的二维分布(膜的表面区域上)(在渗透膜的表面区域上的每个点处，通过用渗透膜的第一侧的相对点处的渗透压减去渗透膜的第二侧的渗透压)。然后可以对跨膜渗透压梯度的二维分布进行空间平均。为了说明空间平均跨膜渗透压梯度的示例性计算，参见图1C至1D。为了确定图1C至1D中膜102的表面区域163上的空间平均跨膜渗透压梯度，可以计算渗透膜102的表面区域163上每个点处的跨膜渗透压梯度的二维分布(即，(П1-Π2))。在沿渗透膜的表面区域的每个点处，可确定渗透膜的第一侧上的点处以及渗透膜的第二侧上相对点处的渗透压。例如，在图1C至1D中，可以确定表面区域163上点150A和152A之间、点150B和152B之间、点150C和152C之间、点150D和152D之间、点150E和152E之间以及统计学上代表数目的点对处的跨膜渗透压梯度，直到产生跨膜渗透压梯度的二维谱图。然后，通过对二维谱图内每个点处的跨膜渗透压梯度进行数量平均来计算膜102的表面区域163上的空间平均跨膜渗透压梯度。
在某些实施方案中，对于系统内的一个或更多个渗透膜(例如第一渗透膜、第二渗透膜、第三渗透膜和/或第四渗透膜)，膜的表面区域上的空间平均跨膜渗透压梯度小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。
可以例如通过控制供给到渗透膜任一侧的流的渗透压(例如，通过控制流内的盐类型和/或盐浓度)来实现在渗透膜的表面区域上获得相对低的空间平均跨膜渗透压梯度。根据某些实施方案，含水进料流内的渗透压与第一抽吸产物流内的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。在某些实施方案中，第一抽吸产物流的渗透压与第二抽吸产物流的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。在一些实施方案中，第二抽吸产物流的渗透压与第三抽吸产物流的渗透压之间的差小于约45巴、小于约40巴、小于约35巴、小于约30巴、小于约25巴、小于约20巴或更小(和/或在一些实施方案中，至少约1巴、至少约2巴、至少约5巴、至少约10巴或更高)。
在一些实施方案中，脱盐系统内一个渗透膜与另一个渗透膜的跨膜净驱动力在大小上相当接近地匹配。根据某些实施方案，在脱盐系统内一个渗透膜与另一个渗透膜类似的跨膜净驱动力的使用可允许使用膜与膜之间在大小上相对接近地匹配的施加力来进行脱盐。
根据某些实施方案，第一抽吸产物流的渗透压和第二抽吸入口流的渗透压之间的差与第二抽吸产物流的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差在彼此约20％以内、约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。例如，参见图2B，在一些实施方案中，第一抽吸产物流212可具有渗透压(Π212)，并且第二抽吸入口流222可具有渗透压(Π212)，以使得第一抽吸产物流内的渗透压和第二抽吸入口流的渗透压之间的差计算为Π212-Π222。另外，第二抽吸产物流224可具有渗透压(П224)，并且第三抽吸入口流234可具有渗透压(Π234)，以使得第二抽吸产物流内的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差计算为Π224-Π234。在一些这样的实施方案中，第一抽吸产物流内的渗透压和第二抽吸入口流的渗透压之间的差(Π212-Π222)与第二抽吸产物流内的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差(Π224-Π234)在彼此约20％以内、约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。
根据某些实施方案，第二抽吸产物流的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差与第三抽吸产物流的渗透压和第四抽吸入口流的渗透压之间的差在彼此约20％以内、约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。例如，参见图2B，在一些实施方案中，第二抽吸产物流224可具有渗透压(Π224)，并且第三抽吸入口流234可具有渗透压(Π234)，以使得第二抽吸产物流内的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差计算为Π224-Π234。另外，第三抽吸产物流236可具有渗透压(Π236)，并且第四抽吸入口流246可具有渗透压(Π246)，以使得第三抽吸产物流内的渗透压和第四抽吸入口流的渗透压之间的差计算为Π236-Π246。在一些这样的实施方案中，第二抽吸产物流的渗透压和第三抽吸入口流的渗透压之间的差(Π224-Π234)与第三抽吸产物流内的渗透压和第四抽吸入口流的渗透压之间的差(Π236-Π246)在彼此约20％以内、约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。
在一些实施方案中，第二渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜净驱动力与第三渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜净驱动力在彼此约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。在一些实施方案中，第三渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜净驱动力与第四渗透膜的表面区域上的空间平均跨膜净驱动力在彼此约10％以内、约5％以内、约2％以内或约1％以内。
在计算两个值之间的百分比差值时(除非另有说明)，使用大小较大的值作为基础进行百分比计算。举例来说，如果第一个值是V1，第二个值是V2(其大于V1)，则V1和V2之间的百分比差值(V％Diff)可以计算为：
Figure BDA0001612473100000341
并且如果V％Diff是X％或更小，则认为第一个值和第二个值在彼此X％以内。
例如，如果比较第一渗透压差(Δπ1)和第二渗透压差(Δπ2)，并且第二渗透压差在大小上大于第一渗透压差，则百分比差值(Δπ％Diff)可计算为：
Figure BDA0001612473100000351
并且如果Δπ％Diff是X％或更小，则认为第一渗透压差和第二渗透压差在彼此X％以内。
在一些实施方案中，从系统中回收用于对一个或更多个流进行加压(例如用于进行反渗透)的能量的至少一部分。回收的能量可用于例如对脱盐系统内的另一个流进行加热和/或加压。
一些实施方案包括在从第一渗透膜的第二侧运输第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧之后，降低经过第二渗透膜的第一侧的第一抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，在从第一渗透膜202的第二侧运输第一抽吸产物流212的至少一部分经过第二渗透膜216的第一侧218之后，可以降低第二浓缩含水流226的压力。在某些实施方案中，在从第二渗透膜的第二侧运输第二抽吸产物流的至少一部分经过第三渗透膜的第一侧之后，降低经过第三渗透膜的第一侧的第二抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，在从第二渗透膜216的第二侧运输第二抽吸产物流224的至少一部分经过第三渗透膜228的第一侧230之后，可以降低第三含水浓缩流238的压力。在一些实施方案中，在从第三渗透膜的第二侧运输第三抽吸产物流的至少一部分经过第四渗透膜的第一侧之后，降低经过第四渗透膜的第一侧的第三抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，在从第三渗透膜228的第二侧运输第三抽吸产物流236的至少一部分经过第四渗透膜240的第一侧242之后，可以降低第四浓缩含水流250的压力。
一些实施方案包括回收由于降低离开渗透膜的渗余物侧的流(例如本文别处所述的任何浓缩含水流)的压力而释放的能量的至少一部分。例如，参见图2A至2B，一些实施方案包括，例如当使用第一渗透膜202进行压力辅助的正渗透或进行反渗透时，回收由于降低离开渗透膜202的第一侧204(其为渗透膜202的渗余物侧)的浓缩含水流214的压力而释放的能量的至少一部分。作为另一个实例，某些实施方案包括回收通过降低离开第二渗透膜216的第一侧218(其为渗透膜216的渗余物侧)的浓缩含水流226的压力而释放的能量的至少一部分。作为又一个实例，一些实施方案包括回收通过降低离开第三渗透膜228的第一侧230(其为渗透膜228的渗余物侧)的第三浓缩含水流238的压力而释放的能量的至少一部分。一些实施方案包括回收通过降低离开渗透膜240的第一侧242(其为渗透膜240的渗余物侧)的浓缩含水流250的压力而释放的能量的至少一部分。
某些实施方案包括回收通过降低运输经过渗透膜的渗余物(第一)侧的抽吸产物流的压力而释放的能量的至少一部分。
根据一些实施方案，回收的能量的至少一部分可用于提高系统中另一个流的压力，这可降低系统内的总体能量成本。例如，根据某些实施方案，回收的能量可用于在抽吸产物流在渗透膜上运输之前(例如，在抽吸产物流已经运输经过渗透膜的渗透物侧之后并且在抽吸产物流运输经过渗透膜的渗余物侧之前)提高抽吸产物流的压力。
一些实施方案包括回收通过降低运输经过第二渗透膜的第一侧的第一抽吸产物流的部分的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第一抽吸产物流的部分运输经过第二渗透膜的第一侧之前提高运输经过第二渗透膜的第一侧的第一抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低第二浓缩含水流226(其包含运输经过第二渗透膜216的第一侧218的第一抽吸产物流212的部分)的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第一抽吸产物流212的至少一部分运输经过第二渗透膜216的第一侧218之前提高其压力。
一些实施方案包括回收通过降低运输经过第三渗透膜的第一侧的第二抽吸产物流的部分的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第二抽吸产物流的部分运输经过第三渗透膜的第一侧之前提高运输经过第三渗透膜的第一侧的第二抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低第三浓缩含水流238(其包含运输经过第三渗透膜228的第一侧230的第二抽吸产物流224的部分)而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第二抽吸产物流224的至少一部分运输经过第三渗透膜228的第一侧230之前提高其压力。
一些实施方案包括回收通过降低运输经过第四渗透膜的第一侧的第三抽吸产物流的部分的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第三抽吸产物流的部分运输经过第四渗透膜的第一侧之前提高运输经过第四渗透膜的第一侧的第三抽吸产物流的部分的压力。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低第四浓缩含水流250(其包含运输经过第四渗透膜240的第一侧242的第三抽吸产物流236的部分)而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第三抽吸产物流236的至少一部分运输经过第四渗透膜240的第一侧242之前提高其压力。
某些实施方案包括回收通过降低离开上游渗透膜的渗余物侧的流的压力而释放的能量的至少一部分，并且回收的能量的至少一部分可用于提高运输经过下游渗透膜(即，在上游渗透膜下游的渗透膜)的渗余物侧的流的压力。在一些实施方案中，通过降低离开上游渗透膜的渗余物侧的流的压力回收的能量的至少一部分可用于提高离开上游渗透膜的渗透物侧的流的压力。在一些这样的实施方案中，离开上游渗透膜的渗透物侧的流的至少一部分然后可以运输经过下游渗透膜的渗余物侧。
某些实施方案包括回收通过降低离开第一渗透膜的第一侧的第一浓缩含水流的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第一抽吸产物流的至少一部分运输经过第二渗透膜的第一侧之前提高其压力。第一抽吸产物流的至少一部分或全部例如可以来源于第一渗透膜的渗透物侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低浓缩含水流214的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第一抽吸产物流212的至少一部分(其来源于第一渗透膜202的第二侧206(渗透物侧))运输经过第二渗透膜216的第一侧218之前提高其压力。
一些实施方案包括回收通过降低离开第二渗透膜的第一侧的第二浓缩含水流的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第二抽吸产物流的至少一部分运输经过第三渗透膜的第一侧之前提高其压力。第二抽吸产物流的至少一部分或全部例如可来源于第二渗透膜的渗透物侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低第二浓缩含水流226的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第二抽吸产物流224的至少一部分(其来源于第二渗透膜216的第二侧220(渗透物侧))运输经过第三渗透膜228的第一侧230之前提高其压力。
某些实施方案包括回收通过降低离开第三渗透膜的第一侧的第三浓缩含水流的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第三抽吸产物流的至少一部分运输经过第四渗透膜的第一侧之前提高其压力。第三抽吸产物流的至少一部分或全部例如可来源于第三渗透膜的渗透物侧。例如，参见图2B，在一些实施方案中，回收通过降低第三浓缩含水流238的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，回收的能量的至少一部分用于在第三抽吸产物流236的至少一部分(其来源于第三渗透膜228的第二侧232(渗透物侧))运输经过第四渗透膜240的第一侧242之前提高其压力。
根据某些实施方案，可使用上述能量回收方法的组合。例如，一些实施方案包括回收通过降低离开上游渗透膜的渗余物侧的流的压力而释放的能量的至少一部分，以及回收通过降低离开下游渗透膜(即，上游渗透膜下游的渗透膜)的渗余物侧的流的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，通过降低离开上游渗透膜的渗余物侧的流的压力而回收的能量的至少一部分以及通过降低离开下游渗透膜的渗余物侧的流的压力而回收的能量的至少一部分可用于提高系统中另一个流的压力(例如，提高离开上游渗透膜的渗透物侧的流的压力和/或提高进入下游渗透膜的渗余物侧的流的压力)。
例如，参见图2B，一些实施方案包括(1)回收通过降低离开第三渗透膜228(其在第四渗透膜240的上游)的第一侧230(其为渗余物侧)的浓缩含水流238的压力而释放的能量的至少一部分，以及(2)回收通过降低离开渗透膜240(其在第三渗透膜228的下游)的第一侧242(其为渗余物侧)的浓缩含水流250的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，通过降低浓缩含水流238的压力而回收的能量的至少一部分以及通过降低浓缩含水流250的压力而回收的能量的至少一部分用于提高离开第三渗透膜的第二侧238的第三抽吸产物流236的压力和/或在第三抽吸产物流236的部分运输经过第四渗透膜240的第一侧242之前提高运输经过第四渗透膜240的第一侧242的第三抽吸产物流236的部分的压力。在一些这样的实施方案中，可使用第一压力交换装置将能量从流238转移到流236，以及可使用第二压力交换装置将能量从流250转移到流236。
作为另一个实例，再次参见图2B，在一些实施方案中，第四渗透膜240不存在(因为其是任选特征)。一些实施方案包括(1)回收通过降低离开第二渗透膜216(其在第三渗透膜228的上游)的第一侧218(其为渗余物侧)的浓缩含水流226的压力而释放的能量的至少一部分，以及(2)回收通过降低离开第三渗透膜228(其在第二渗透膜216的下游)的第一侧230(其为渗余物侧)的浓缩含水流238的压力而释放的能量的至少一部分。在一些这样的实施方案中，通过降低浓缩含水流226的压力而回收的能量的至少一部分以及通过降低浓缩含水流238的压力而回收的能量的至少一部分用于提高离开第二渗透膜216的第二侧220的第二抽吸产物流224的压力和/或在第二抽吸产物流224的部分运输经过第三渗透膜228的第一侧230之前提高运输经过第三渗透膜228的第一侧218的第二抽吸产物流224的部分的压力。在一些这样的实施方案中，可使用第一压力交换装置将能量从流226转移到流224，以及可使用第二压力交换装置将能量从流238转移到流224。
根据某些实施方案，如上文所述，从多个流(例如，从离开上游渗透膜的渗余物侧的流和从离开下游渗透膜的渗余物侧的流)回收能量可用于对运输到渗透膜系列中的最终渗透膜的渗余物侧的流加压。在这种情况下，“最终”渗透膜是指产生最终含水产物并且在其之后不进行额外的渗透步骤的渗透膜。参见图2B，例如，在存在第四渗透膜240的一些实施方案中，第四渗透膜240可以是渗透膜系列中的最终渗透膜。在一些这样的实施方案中，第三渗透膜可以是渗透膜系列中的倒数第二渗透膜。在一些这样的实施方案中，在渗透膜系列中一个或更多个中间渗透膜可位于第二渗透膜216和第三渗透膜228之间。在某些这样的实施方案中，通过降低浓缩含水流238的压力和通过降低浓缩含水流250的压力回收能量，并且通过降低浓缩含水流238和浓缩含水流250的压力回收的能量的至少一部分用于提高第三抽吸产物流236的压力(例如，在其离开第三渗透膜228的第二侧232时和/或在其供给到第四渗透膜240的第一侧242之前)。在一些实施方案中，第四抽吸产物流248形成最终产物流(例如，纯水)的全部或部分，并且在一些这样的情况下，不对流248进行进一步的渗透步骤。
作为另一个实例，再次参见图2B，在一些实施方案中，不存在第四渗透膜。在一些实施方案中，第三渗透膜228可以是渗透膜系列中的最终渗透膜。在一些这样的实施方案中，第二渗透膜216可以是渗透膜系列中的倒数第二渗透膜。在某些这样的实施方案中，通过降低浓缩含水流226的压力和通过降低浓缩含水流238的压力来回收能量，并且通过降低浓缩含水流226和浓缩含水流238的压力回收的能量的至少一部分用于提高第二抽吸产物流224的压力(例如，当其离开第二渗透膜216的第二侧220时和/或在其供给到第三渗透膜228的第一侧230之前)。在一些实施方案中，第三抽吸产物流236形成最终产物流(例如，纯水)的全部或部分，并且在一些这样的情况下，不对流236进行进一步的渗透步骤。
来自加压流的能量可通过任何合适的方法回收。例如，在一些实施方案中，可使用压力交换装置来从加压流中回收能量。本领域普通技术人员熟悉压力交换装置，其中来自高压流体流的压力能量被传递到低压流体流。压力交换装置的示例性类型是旋转式压力交换器，例如，如美国专利No.7,306,437中所述。例如，在一些实施方案中，可通过使加压流与较低压力的流直接接触使得较低压力流被加压而较高压力流被减压(例如，节流)来回收能量。也可以在系统中使用其他装置如涡轮机(例如佩尔顿轮(Pelton wheel))来回收能量。
本文所述的系统和方法可用于处理多种含水进料流。根据某些实施方案，供给到脱盐系统的流是包含至少一种溶解离子物质的含水流。例如，参见图2A至2B，含水进料流208可以包含含有至少一种溶解离子物质的含水流。溶解离子可以来自例如已经溶解在含水流中的盐。溶解离子通常是已经溶解至这样的程度的离子，其中该离子不再与反离子(counter-ion)离子键合。含水进料流可包含许多溶解离子物质中的任意一种，包括但不限于Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Cl-、碳酸根阴离子、碳酸氢根阴离子、硫酸根阴离子、硫酸氢根阴离子和/或溶解的二氧化硅。在一些实施方案中，含水进料流包含至少一种溶解的单价阳离子(即，当溶解时具有+1的氧化还原状态的阳离子)。例如，在一些实施方案中，含水进料流包含Na+和/或K+。在某些实施方案中，含水进料流包含至少一种单价阴离子(即，当溶解时具有-1的氧化还原状态的阴离子)。例如，在一些实施方案中，含水进料流包含Cl-和/或Br-。在一些实施方案中，含水进料流包含至少一种单价阳离子和至少一种单价阴离子。在一些实施方案中，含水进料流包含一种或更多种二价阳离子(即，当溶解时具有+2的氧化还原状态的阳离子)和/或一种或更多种二价阴离子(即，当溶解时具有-2的氧化还原状态的阴离子)。在一些实施方案中，具有其他化合价的阳离子和/或阴离子也可以存在于含水进料流中。
在一些实施方案中，供给到第一渗透膜的含水进料流(例如，图2A至2B中供给到第一渗透膜202的流208)中的溶解离子的总浓度可以相对较高。如别处所述，与某些实施方案相关的一个优点是可以在不使用能量密集型脱盐方法的情况对具有相对高溶解离子浓度的初始含水进料流进行脱盐。在某些实施方案中，运输到第一渗透膜的含水进料流中溶解离子的总浓度为至少约60,000ppm、至少约80,000ppm或至少约100,000ppm(和/或在一些实施方案中，高至约500,000ppm或更高)。也可使用具有这些范围之外的溶解离子浓度的含水进料流。
根据某些实施方案，运输到第一渗透膜的含水进料流(例如，图2A至2B中供给到第一渗透膜202的流208)包含混悬和/或乳化的不混溶相。通常，混悬和/或乳化的不混溶相是在操作流的温度和其他条件下在超过10wt％的水平下不溶于水的材料。在一些实施方案中，混悬和/或乳化的不混溶相包含油(oil)和/或油脂(grease)。如本领域已知的，术语“油”通常是指比水更疏水并且在水中不混溶或可溶的流体。因此，在一些实施方案中，油可以是烃，但是在另一些实施方案中，油可以包含其他疏水流体。在一些实施方案中，含水进料流的至少约0.1wt％、至少约1wt％、至少约2wt％、至少约5wt％或至少约10wt％(和/或在一些实施方案中，高至约20wt％、高至约30wt％、高至约40wt％、高至约50wt％或更高)由混悬和/或乳化的不混溶相构成。
在某些实施方案中，第一渗透膜被配置为使得很少或没有混悬和/或乳化的不混溶相运输经过第一渗透膜。例如，在一些实施方案中，在含水进料流经过第一渗透膜运输时，小于约10wt％、小于约5wt％、小于约2wt％、小于约1wt％或基本上没有混悬和/或乳化的不混溶相运输经过第一渗透膜。
尽管第一渗透膜可用于从进入的含水进料流中分离混悬和/或乳化的不混溶相，但这种分离是任选的。例如，在一些实施方案中，运输到脱盐系统的含水进料流基本上不含混悬和/或乳化的不混溶相。在某些实施方案中，第一渗透膜上游的一个或多个分离单元可用于在含水进料流运输到第一渗透膜之前从含水进料流中至少部分地除去混悬和/或乳化的不混溶相。例如在2015年2月12日公布的国际专利公开No.WO 2015/021062中描述了这种系统的非限制性示例，为了所有目的，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施方案中，含水进料流可以来源于来自海水、地下水、苦咸水和/或化学过程的流出物。在油和气工业中，例如，可能遇到的一种类型的含水进料流是采出水(produced water)(例如，从油井或气井连同油或气一起出现的水)。由于地下采出水花费的时长，以及由于可提高某些盐和矿物质的溶解度的高的地下压力和温度，采出水通常包含相对高浓度的溶解盐和矿物质。例如，一些采出水流可包含溶解的硫酸锶(SrSO4)的过饱和溶液。相比之下，在油和气工业中可能遇到的另一种类型的含水进料流是回流水(flowback water)(例如，在水力压裂操作期间作为压裂流体注入并随后回收的水)。回流水通常包含用于水力压裂法(fracking)的多种组分，包括表面活性剂、支撑剂和降黏剂，但通常具有比采出水更低的盐度。在一些情况下，本文所述的系统和方法可用于对来自这样的工艺流的含水进料流进行至少部分脱盐。
根据某些实施方案，第一抽吸入口流(例如，图2A至2B中的流210)可以包含适于赋予适当的渗透压以执行本文所述功能的任何组分。在一些实施方案中，第一抽吸入口流是包含一种或更多种溶解物如一种或更多种溶解离子和/或一种或更多种解离分子的水溶液。例如，在一些实施方案中，第一抽吸入口流包含Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+和/或Cl-。在一些实施方案中，第一抽吸入口流包含至少一种溶解的单价阳离子，例如Na+和/或K+。在某些实施方案中，第一抽吸入口流包含至少一种单价阴离子，例如Cl-和/或Br-。具有其他化合价的阳离子和/或阴离子也可以存在于第一抽吸入口流中。抽吸流中也可使用其他物质。例如，在一些实施方案中，第一抽吸入口流可以是包含溶解的非离子物质如氨(NH3)的含水流。
根据某些实施方案，第二抽吸入口流(例如，图2A至2B中的流222)可以包含适于赋予适当的渗透压以执行本文所述功能的任何组分。在一些实施方案中，第二抽吸入口流是包含一种或更多种溶解物如一种或更多种溶解离子和/或一种或更多种解离分子的水溶液。例如，在一些实施方案中，第二抽吸入口流包含Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+和/或Cl-。在一些实施方案中，第二抽吸入口流包含至少一种溶解的单价阳离子，例如Na+和/或K+。在某些实施方案中，第二抽吸入口流包含至少一种单价阴离子，例如Cl-和/或Br-。具有其他化合价的阳离子和/或阴离子也可以存在于第二抽吸入口流中。第二抽吸入口流中也可使用其他物质。例如，在一些实施方案中，第二抽吸入口流可以是包含溶解的非离子物质如氨(NH3)的含水流。第二抽吸入口流可以包含与第一抽吸入口流中存在的物质相同或不同的溶解物(例如，溶解的离子物质)。在一些实施方案中，第二抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度(以摩尔浓度为单位)低于第一抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度。
根据某些实施方案，第三抽吸入口流(例如，图2B中的流234)可以包含适于赋予适当的渗透压以执行本文所述功能的任何组分。在一些实施方案中，第三抽吸入口流是包含一种或更多种溶解物如一种或更多种溶解离子和/或一种或更多种解离分子的水溶液。例如，在一些实施方案中，第三抽吸入口流包含Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+和/或Cl-。在一些实施方案中，第三抽吸入口流包含至少一种溶解的单价阳离子，例如Na+和/或K+。在某些实施方案中，第三抽吸入口流包含至少一种单价阴离子，例如Cl-和/或Br-。具有其他化合价的阳离子和/或阴离子也可以存在于第三抽吸入口流中。第三抽吸入口流中也可使用其他物质。例如，在一些实施方案中，第三抽吸入口流可以是包含溶解的非离子物质如氨(NH3)的含水流。第三抽吸入口流可以包含与第一和/或第二抽吸入口流中存在的物质相同或不同的溶解物(例如，溶解的离子物质)。在一些实施方案中，第三抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度(以摩尔浓度为单位)低于第二抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度。
根据某些实施方案，第四抽吸入口流(例如，图2B中的流246)可以包含适于赋予适当的渗透压以执行本文所述功能的任何组分。在一些实施方案中，第四抽吸入口流是包含一种或更多种溶解物如一种或更多种溶解离子和/或一种或更多种解离分子的水溶液。例如，在一些实施方案中，第四抽吸入口流包含Na+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+和/或Cl-。在一些实施方案中，第四抽吸入口流包含至少一种溶解的单价阳离子，例如Na+和/或K+。在某些实施方案中，第四抽吸入口流包含至少一种单价阴离子，例如Cl-和/或Br-。具有其他化合价的阳离子和/或阴离子也可以存在于第四抽吸入口流中。第四抽吸入口流中也可使用其他物质。例如，在一些实施方案中，第四抽吸入口流可以是包含溶解的非离子物质如氨(NH3)的含水流。第四抽吸入口流可以包含与第一、第二和/或第三抽吸入口流中存在的物质相同或不同的溶解物(例如，溶解的离子物质)。在一些实施方案中，第四抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度(以摩尔浓度为单位)低于第三抽吸入口流中溶解物(例如，溶解离子)的总摩尔浓度。
根据本公开内容提供的见解，本领域普通技术人员将能够选择用于本文所述的多种抽吸流中的合适组分。
根据某些实施方案，可通过将一种或更多种物质混悬和/或溶解在溶剂如含水溶剂中以将物质溶解在溶剂中来制备抽吸入口流。例如，在一些实施方案中，可通过将一种或更多种固体盐溶解在含水溶剂中来制备一种或更多种抽吸入口流。可溶于水的盐的非限制性实例包括NaCl、CaCl2、MgCl2等。在一些实施方案中，可通过将氨与水混合来制备抽吸流。在某些实施方案中，可通过将一种或更多种氨盐(例如碳酸氢铵、碳酸铵和/或氨基甲酸铵)溶解在水中来制备抽吸流。在一些实施方案中，可通过将氨和二氧化碳气体溶解在水中来制备抽吸流。
本领域的普通技术人员熟悉渗透膜。膜介质可包括例如金属、陶瓷、聚合物(例如，聚酰胺、聚乙烯、聚酯、聚(四氟乙烯)、聚砜、聚碳酸酯、聚丙烯、聚(丙烯酸酯))和/或这些的复合材料或其他组合。渗透膜通常允许选择性运输水穿过膜，其中水能够传送过膜，同时抑制溶解物(例如离子)运输穿过膜。可结合本文所述的某些实施方案使用的市售渗透膜的实例包括但不限于可从Dow Water and Process Solutions(例如，FilmTecTM膜)、Hydranautics、GE Osmonics和Toray Membrane市售的那些，以及本领域普通技术人员已知的其他膜。
应理解，在示出或描述单个膜的情况下，可以用多个平行连接的渗透膜代替这样的单个膜。使用多个平行连接的渗透膜可以例如提高系统的容量。
2015年7月29日提交的题为“Osmotic Desalination Methods and AssociatedSystems”的美国临时专利申请序列No.62/198,413的全部内容通过引用整体并入本文。
以下实施例旨在说明本发明的某些实施方案，但并不是示例本发明的全部范围。
实施例1
在本实施例中，描述了单阶段渗透膜系统，其用于执行抽吸辅助的反渗透。该系统包含单个无孔膜，其具有加压的流入进料流流过的进料侧以及流入抽吸流流过的抽吸侧。
参见图1A中所示的示意图，该系统如下操作。系统包括渗透膜102，其具有第一侧104和第二侧106。流入的含水进料流108运输经过第一侧104，流入的抽吸流110运输经过第二侧106。水在渗透膜102的第一侧104和第二侧106之间运输，以产生来自流入含水进料流108的含水流114以及来自抽吸流110的抽吸产物流112。
该系统中的渗透膜102由Porifera制造，总面积为1m2，包括在第一侧104上的无孔活性层和在第二侧106上的多孔非织造结构支撑层。渗透膜包含在也由Porifera制造的逆流板和框架模块中。通过将Sonoma海盐溶解在去离子水中来制备含水进料流108和抽吸流110。
含水进料流108通过第一隔膜泵从第一容器泵送经过渗透膜102的第一侧104。第一侧104上的液压通过流出的含水流114流过的膜组件出口处的Swagelok反压调节器控制。含水流114收集在第二容器中。抽吸流110通过第二隔膜泵从第三容器泵送经过渗透膜102的第二侧。流出的抽吸产物流112收集在第四容器中。
通过流出的含水流114流过的渗透膜组件出口处以及流出的抽吸产物流112流过的渗透膜组件出口处的标度盘指示器(dial indicator)来测量压力。跨膜压力作为在这些位置测量的压力之间的差计算。流入含水进料流108、流出含水流114、流入抽吸流110和流出抽吸产物流112的流速通过以10至15分钟的间隔分别对第一、第二、第三和第四容器称重来以重量分析进行测量。使用每个容器的重量变化和称重间隔来计算每个流的质量流速。对含水进料流108和含水流114的质量流速之间的差以及抽吸流110和抽吸产物流112的质量流速之间的差求平均值以计算跨越渗透膜102的通量。在以10至15分钟的增量从4个容器中的每一个收集的样品中，使用Perkin Elmer制造的电感耦合等离子体光学发射光谱仪分析每个流的钠浓度。
改变抽吸流源的盐度，并测量对跨膜通量变化的影响。在进行流速、压力和盐度测量之前，在固定条件下操作1小时使渗透膜系统达到稳定状态。制备含水进料流108的源并测得含有1900mg/L钠。将跨膜压力调节到17psi。含水进料流108的流速为45.77ml/分钟，抽吸流110的流速为39.28。表1中示出了抽吸流源的盐度和所得跨膜通量。
表1
Figure BDA0001612473100000451
在表1中，通量显示为在试验1和2之间为反向，并且在试验3中进一步提高。在试验1中，跨膜压力不足以克服跨越膜102上的渗透压差，因此水穿过渗透膜102从第二侧106流到第一侧104。在试验2中，抽吸流110的盐度降低了两侧之间的渗透压差。虽然进料流108的盐度大于抽吸流110的盐度，但所得渗透压差不足以克服跨膜压力，导致从第一侧104到第二侧106的正通量。在试验3中，通过提高抽吸流110的盐度进一步降低了渗透压差，导致更大的正通量。
实施例2
在本实施例中，通过在单渗透膜系统上的重复实验来模拟多阶段渗透膜级联，其中将来自先前试验的抽吸流产物用作首次后每次实验的进料流。
参见图1A中所示示意图，该系统如下操作。系统包括渗透膜102，其具有第一侧104和第二侧106。流入的含水进料流108运输经过第一侧104，流入的抽吸流110运输经过第二侧106。水在渗透膜102的第一侧104和第二侧106之间运输，以产生来自流入含水进料流108的含水流114以及来自抽吸流110的抽吸产物流112。
该系统中的渗透膜102由Porifera制造，总面积为1m2，包含在第一侧104上的无孔活性层和在第二侧106上的多孔非织造结构支撑层。渗透膜包含在也由Porifera制造的逆流板和框架模块中。通过将Sonoma海盐溶解在去离子水中来制备含水进料流108和抽吸流110。
含水进料流108通过第一隔膜泵从第一容器泵送经过渗透膜102的第一侧104。第一侧104上的液压通过流出的含水流114流过的膜组件出口处的Swagelok反压调节器控制。含水流114收集在第二容器中。抽吸流110通过第二隔膜泵从第三容器泵送经过渗透膜102的第二侧。流出的抽吸产物流112收集在第四容器中。
通过流出的含水流114流过的渗透膜组件出口处以及流出的抽吸产物流112流过的渗透膜组件出口处的标度盘指示器来测量压力。跨膜压力作为在这些位置测量的压力之间的差计算。流入含水进料流108、流出含水流114、流入抽吸流110和流出抽吸产物流112的流速通过以10至15分钟的间隔分别对第一、第二、第三和第四容器称重来以重量分析进行测量。使用每个容器的重量变化和称重间隔来计算每个流的质量流速。对含水进料流108和含水流114的质量流速之间的差以及抽吸流110和抽吸产物流112的质量流速之间的差求平均值以计算跨越渗透膜102的通量。在以10至15分钟的增量从4个容器中的每一个收集的样品中，使用Perkin Elmer制造的电感耦合等离子体光学发射光谱仪分析每个流的钠浓度。
在连续试验中改变含水进料流108和抽吸流110的盐度以模拟膜级联。在第一试验中，选择起始含水进料流盐度和抽吸流盐度。收集第一试验的所得抽吸流产物，并用作第二试验中含水进料流108的源。收集第二试验的所得抽吸产物流，并用作第三试验中含水进料流108的源。收集第三试验的所得抽吸产物流，并用作第四试验中含水进料流108的源。一起考虑，试验模拟了图2B中所述的系统配置，其中从第一渗透膜202流出的第一抽吸产物流212被供给到第二渗透膜216的第一侧。下游膜同样地供给包含来自上游膜的抽吸产物流的进料流。对于5000ppm和50000ppm的第一试验进料流进行级联实验。还对每个第一试验进料盐度进行了一组单阶段试验，其中抽吸流盐度等于相应级联试验的最终抽吸流盐度。5000ppm进料流级联实验和相应单阶段比较实验的结果示出在表2中。50,000ppm进料流级联实验的结果示出在表3中。
表2
Figure BDA0001612473100000471
表3
Figure BDA0001612473100000472
在表2和3中，显示通过每个级联阶段的通量大于通过相应单阶段试验的通量。通过级联系统的更大通量表明，当使用级联配置时，可以从盐水流中回收更大量的淡水。在表3中，相应单阶段试验显示具有负通量，表明跨膜压差不足。这些结果表明，当使用级联结构时，可能需要较低的跨膜压力来克服渗透压梯度。
预测实施例1
本预测实施例描述了一种脱盐系统，其中初始正渗透过程与一系列下游反渗透过程组合以产生具有比初始含水进料流更高的水纯度的含水产物流。
示例性过程示出在图3A的示意图中。在图3A中，将包含10wt％的溶解NaCl的含水进料流运输到第一渗透膜的第一侧。将包含22wt％的溶解NaCl的含水抽吸溶液相对于含水进料流以逆流配置运输到第一渗透膜的第二侧。第一渗透膜用于进行正渗透，从而在第一渗透膜的第一侧产生包含20wt％的溶解NaCl的浓缩除盐流并运输走，并且在第一渗透膜的第二侧产生包含10.47wt％的溶解NaCl的稀释的抽吸溶液并运输走。
在图3A中，使用泵将来自第一渗透膜的稀释的抽吸溶液运输到第二渗透膜的第一侧。将包含20wt％的溶解NaCl的含水中间抽吸溶液相对于稀释的抽吸溶液流以逆流配置运输到第二渗透膜的第二侧。来自第一渗透膜的稀释的抽吸溶液与含水中间抽吸溶液的逆流配置以及适当度和流速的选择可以允许操作第二渗透膜，以使得膜两侧的溶液之间渗透压的差在膜的整个表面区域上相对一致。向第二渗透膜的第一侧施加20巴的液压并进行反渗透过程，以使得在第二渗透膜的第一侧产生包含22wt％的溶解NaCl的浓缩抽吸溶液流并运输走，并且在第二渗透膜的第二侧产生包含8.72wt％的溶解NaCl的稀释的中间抽吸溶液并运输走。可以将回收的浓缩抽吸溶液流的至少一部分(或全部)节流至期望的压力(例如，将压力降低约14巴至约6巴的压力)，并在闭合或部分闭合回路中送回第一渗透膜。
在图3A中，使用泵将来自第二渗透膜的稀释的中间抽吸溶液运输到第三渗透膜的第一侧。将包含18wt％的溶解NaCl的含水抽吸溶液相对于稀释的中间抽吸溶液流以逆流配置运输到第三渗透膜的第二侧。向第三渗透膜的第一侧施加20巴的液压并进行反渗透过程，以使得在第三渗透膜的第一侧产生包含20wt％的溶解NaCl的浓缩抽吸溶液流并运输走，并且在第三渗透膜的第二侧产生包含6.98wt％的溶解NaCl的稀释的中间抽吸溶液并运输走。可以将回收的浓缩抽吸溶液流的至少一部分(或全部)节流至期望的压力(例如，将压力降低约14巴至约6巴的压力)，并在闭合或部分闭合回路中送回第二渗透膜。
还进行第三、第四和第五反渗透过程(图3A中未示出)，从而产生包含1.83wt％的溶解NaCl的进一步稀释的含水流。将包含1.83wt％的溶解NaCl的稀释含水流运输到第七渗透膜的第一侧(以进行第六反渗透过程)。将包含10wt％的溶解NaCl的额外的抽吸溶液运输到第七渗透膜的第二侧。向第七渗透膜的第一侧施加20巴的液压，并进行反渗透过程，以使得在第七渗透膜的第一侧产生包含12wt％的溶解NaCl的浓缩含水流并运输走，并且在第七渗透膜的第二侧产生包含基本上纯水(约0.15％NaCl)的最终产物流并运输走。可以将回收的浓缩抽吸溶液流的至少一部分(或全部)节流至期望的压力(例如，将压力降低约14巴至约6巴的压力)，并在闭合或部分闭合回路中送回第六渗透膜。
预测实施例2
本预测实施例描述了在脱盐系统中使用能量回收，其中初始正渗透过程与一系列下游反渗透过程组合以产生具有比初始含水进料流更高水纯度的含水产物流。
图3B是示例性脱盐系统的示意图，其中在系统中的多个点处回收能量。能量可作为直接液压回收，例如使用压力交换装置(取代或附加于节流阀)。在图3B中示出的过程包括与上面关于图3A的描述相同的四个初始渗透阶段(具有类似的流和组分浓度，以及类似的渗透膜)，只是向图3B所示的实施方案中添加了能量回收装置。
在图3B中，来自第二渗透膜的22％wt％的溶解氯化钠的经回收抽吸溶液(其处于比离开第一渗透膜的稀释的10.47wt％的溶解氯化钠的抽吸溶液更高的液压下)可用于通过与稀释的10.47wt％的溶解氯化钠的抽吸溶液直接接触(例如，在旋转压力交换装置中)来在稀释抽吸溶液加压并输送到第二渗透膜之前转移能量(以压力的形式)。在此过程中，22wt％的溶解NaCl的经回收抽吸溶液被减压(节流)。虽然图3B中示出了旋转式压力交换装置，但是也可使用其他装置(例如佩尔顿轮)。
另外在3B中，20wt％的溶解NaCl的经回收抽吸溶液(其处于比8.72wt％的溶解NaCl的稀释抽吸溶液更高的液压下)可用于通过与稀释的8.72wt％的溶解NaCl的抽吸溶液直接接触(例如，在旋转压力交换装置中)来在稀释抽吸溶液加压并输送到第三渗透膜之前转移能量(以压力的形式)。在此过程中，20wt％的溶解NaCl的经抽吸溶液被减压(节流)。
另外在3B中，18wt％的溶解NaCl的经回收抽吸溶液(其处于比6.98wt％的溶解NaCl的稀释抽吸溶液更高的液压下)可用于通过与稀释的6.98wt％的溶解NaCl的抽吸溶液直接接触(例如，在旋转压力交换装置中)来在稀释抽吸溶液加压并输送到第三渗透膜之前转移能量(以压力的形式)。在此过程中，18wt％的溶解NaCl的经抽吸溶液被减压(节流)。
预测实施例3
本预测实施例描述了渗透膜分离器的操作，其中选择入口流的流速、渗透压和液压来平衡渗透膜的表面区域上的净渗透驱动力。
图4A中示出了渗透膜分离器的示意图。渗透膜分离器包括渗透膜102，其限定了第一侧104和第二侧106。进料流108具有质量流速mF，i，渗透压πF，i和液压PF。浓缩含水流114具有质量流速mF，o，渗透压πE，o和液压PF。抽吸入口流110具有质量流速mD，i，渗透压πD，i和液压PD。抽吸产物流112具有质量流速mD，o，渗透压πD，o和液压PD。将进料流108运输经过渗透膜102的第一侧104，抽吸入口流110以与进料流108的方向相反的方向运输经过渗透膜102的第二侧106。以这种方式，渗透分离器以逆流配置操作。沿着膜102的位置可以沿着图4A中所示的x轴表示，x＝0对应于最接近含水入口进料和抽吸产物流的位置，x＝1对应于抽吸入口和浓缩含水流出口。
在一个示例性操作模式中，含水进料流108在位置x＝0进入逆流反渗透膜的一侧，其盐浓度为100,000ppm，液压为300psi，渗透压为1311psi。抽吸入口流110可以是盐水抽吸流，其在相对侧(即在位置x＝1)进入分离器，盐度为95,000ppm，液压基本上为0，渗透压为1271psi。根据等式4选择流108和110的质量流速比，其中C＝1。
当含水进料流108在膜102上前进时，流108内的一部分水穿过膜102从第一侧104到第二侧106。由于盐102和/或其他污染物被膜102排斥，因此渗透物几乎完全是纯水。盐保留在膜102的侧104的液体中，因此浓度提高。当流114离开膜分离器(在位置x＝1)时，渗透压是1531psi。
当抽吸入口流110运输经过膜102的侧106(在与流108的方向相反的方向)时，其被透过膜102(从侧104到侧106)的纯水稀释。盐的质量流速保持不变，因此膜102的侧106的液体的盐度下降，渗透压降低。当抽吸产物流112离开膜分离器(在x＝0的位置)时，渗透压为1074psi。在该实施例中，假定跨越膜的压降(pressure drop)基本为0。因此，净驱动力随着盐浓度线性变化。
由于根据公式4平衡了质量流速比，因此跨越膜的净驱动力的变化被最小化。图4B是作为渗透膜上的位置的函数的渗透压的图。如图4B所示，在渗透膜上，进料渗透压和抽吸渗透压之间的差保持相对恒定。在这个例子中，最大净驱动力和最小净驱动力在彼此9.05％之内。
虽然本文已经描述和说明了本发明的多个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的各种其他方式和/或结构，这些变化和/或修改中的每一个都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员容易理解，本文所描述的所有参数、尺寸、材料和配置都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于特定使用本发明的教导的特定应用。本领域技术人员认识或仅使用常规实验就能够确定本文所述的本发明的具体实施方案的许多等同物。因此，应该理解，前述实施方案仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，本发明可以以与具体描述和要求保护的方式不同的方式实施。本发明涉及本文描述的每个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、物品、材料和/或方法不相互不一致，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料和/或方法的任何组合都包括在本发明的范围内。
在说明书和权利要求书中未用数量词限定的名词应理解为表示“至少一个/种”，除非明确地指示相反。
如本文在说明书和权利要求书中使用的，短语“和/或”应理解为是指如此结合的要素的“任一个或两个”，即在一些情况下联合存在，而在一些情况下分离地存在。可任选地存在由“和/或”从句具体指出的要素以外的要素，而无论其与具体指出的那些要素相关或不相关，除非明确地指示相反。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言如“包括”结合使用时，提到“A和/或B”在一个实施方案中可以指A但没有B(任选地包含B以外的要素)；在另一个实施方案中，指B但没有A(任选地包含A以外的要素)；在又一个实施方案中，指A和B(任选地包含其他要素)；等等。
如在本说明书和权利要求书中使用的，“或”应理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中分开项目时，“或”或“和/或”应解释为包含性的，即包含若干要素或要素列表中的至少一个，但也包含多于一个，以及任选地另外的未列出的要素。只有明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求中使用时，“由...组成”指包含若干要素或要素列表的恰好一个要素。一般而言，当与排他性术语如“中的任一”、“中的一个”、“中的仅一个”或“中的恰好一个”结合时，本文中使用的术语“或”仅应解释为指排他性选择(即，“一个或另一个，但不是两个”)。当在权利要求中使用时，“基本上由...组成”具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如在本说明书和权利要求书中使用的，关于一个或更多个要素的列表的短语“至少一个”应理解为是指选自要素列表中的任何一个或更多个要素的至少一个要素，但未必包含要素列表中具体列出的每个或每一个要素的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任何组合。该定义还允许可任选地存在“至少一个”所涉及的要素列表中具体指出的要素以外的要素，而不论其与具体指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B的至少一个”(或者等同地，“A或B的至少一个”，或者等同地“A和/或B的至少一个”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地多于一个A，但是不存在B(并且任选地包含B以外的要素)；在另一个实施方案中是指至少一个B，任选地多于一个B，但是不存在A(并且任选地包含A以外的要素)；在另一个实施方案中，是指至少一个A，任选地多于一个A，以及至少一个B，任选地多于一个B(并且任选地包含其他要素)等等。
在权利要求以及上面的说明书中，所有过渡性短语如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”等应理解为是开放式的，即意味着包括但不限于。只有过渡性短语“由...组成”和“基本上由...组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述。

Claims (10)

1.进行渗透的方法，其包括：
运输含水进料流经过渗透膜的第一侧；
运输抽吸入口流经过所述渗透膜的第二侧，以使得水从所述含水进料流穿过所述渗透膜运输到所述抽吸入口流，以产生具有比所述抽吸入口流更低渗透压的抽吸产物流和具有比所述含水进料流更高渗透压的浓缩含水流；以及
引导所述含水进料流经过所述渗透膜和/或所述抽吸入口流经过所述渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此20％以内：
第一比率，所述第一比率为进入所述渗透膜的所述抽吸入口流的质量流速与进入所述渗透膜的所述含水进料流的质量流速的比率，以及
第二比率，所述第二比率为进入所述渗透膜的所述含水进料流的渗透压和跨越所述渗透膜的入口压差之间的差与进入所述渗透膜的所述抽吸入口流的渗透压和跨越所述渗透膜的入口压差之和的比率，
其中：
如果所述第一比率和所述第二比率之间的百分比差值V％Diff是20％或更小，则认为所述第一比率和所述第二比率在彼此20％以内，其中V％Diff计算为：
Figure FDA0003464234050000011
其中V1是所述第一比率和所述第二比率中的较小比率，并且V2是所述第一比率和所述第二比率中的较大比率。
2.权利要求1所述的方法，其中所述抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更高的渗透压。
3.权利要求1所述的方法，其中所述抽吸入口流具有比所述含水进料流的渗透压更低的渗透压。
4.权利要求1所述的方法，其中所述含水进料流内的溶解离子的浓度为至少60,000ppm。
5.权利要求1所述的方法，其中在所述渗透膜的至少90％的表面区域上，跨越所述渗透膜的跨膜净驱动力均匀至10％以内。
6.权利要求1所述的方法，其中在所述渗透膜上的至少一个位置处，所述渗透膜的第一侧上的渗透压与所述渗透膜的第二侧上的渗透压之间的差小于45巴。
7.权利要求1所述的方法，其中所述含水进料流和抽吸入口流以逆流配置运输经过所述渗透膜。
8.权利要求1所述的方法，其中所述含水进料流含有混悬和/或乳化的不混溶相以及浓度为至少60,000ppm的溶解离子。
9.权利要求1所述的方法，其中所述浓缩含水流具有比所述含水进料流更高浓度的溶解离子。
10.权利要求1所述的方法，其中所述抽吸入口流为第一抽吸入口流，所述渗透膜为第一渗透膜，所述抽吸产物流为第一抽吸产物流，并且所述方法还包括：
从所述第一渗透膜的第二侧运输所述第一抽吸产物流的至少一部分经过第二渗透膜的第一侧；
运输第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的第二侧；
向所述第二渗透膜的第一侧施加液压，以使得水从所述第一抽吸产物流穿过所述第二渗透膜运输到所述第二抽吸入口流，以产生具有比所述第二抽吸入口流更低渗透压的第二抽吸产物流和具有比所述第一抽吸产物流更高渗透压的第二浓缩含水流；以及
引导所述第一抽吸产物流经过所述第二渗透膜和/或所述第二抽吸入口流经过所述第二渗透膜的运输，以使得以下两个比率在彼此20％以内：
第一比率，所述第一比率为进入所述第二渗透膜的所述第二抽吸入口流的质量流速与进入所述第二渗透膜的第一抽吸产物流的质量流速的比率，以及
第二比率，所述第二比率为进入所述第二渗透膜的第一抽吸产物流的渗透压和跨越所述第二渗透膜的入口压差之间的差与进入所述第二渗透膜的所述第二抽吸入口流的渗透压和跨越所述第二渗透膜的入口压差之和的比率，
其中：
如果所述第一比率和所述第二比率之间的百分比差值V％Diff是20％或更小，则认为所述第一比率和所述第二比率在彼此20％以内，其中V％Diff计算为：
Figure FDA0003464234050000031
其中V1是所述第一比率和所述第二比率中的较小比率，并且V2是所述第一比率和所述第二比率中的较大比率。
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